MOLEKULOVÁ SPEKTROMETRE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 1 Optické analytické metody studium >- interakce využití energie zareni emise, absorpce (kvantovaná) zmena elektromagnetické záření t látka jiné vlastnosti záření (rychlost šíření, stáčení roviny kmitu polarizovaného záření) OPTICKÉ METODY SPEKTROSKOPICKÉ spektrum E = f (A) elmag. záření NESPEKTROSKOPICKÉ (index lomu, úhel) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 2 Optické analytické metody SPEKTROSKOPIE OPTICKÁ HMOTNOSTNÍ S = f (vlnová délka) S = f (m.z1) S «tok fotonů S «tok iontů analogie opt. spektra ionizace absorpcí energie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 3 Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody oblast záření A (pm) v (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda gama z. RTG z. r e-8 -< e12 e22 e8 > e-6 e10 e20 e6 r e9 e19 e5 Íe-2 e6 e16 e2 Mössbauerova s. vnitřní el. RTG spektrosk. poznámka e12 = 1012atd prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 4 Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody - MOLEKULOVÁ S. oblast záření A (pm) v (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda UV vzdálená H UV blízká E-2 E6 E4 viditelná IR blízká IR střední IR vzdálená mikrovlnná E4 =0,8 E4 E3 500 100 100 E16 E2 E15 6,2 E14 3,1 E14 1,5 < valenční eU AAS, AES, AF, MAS valenční el. y molekulová luminiscence E14 0,6 valenční el/ vibrace a Infračervená r rotace -< a Ramanova molekul I spektroskopie E13 0,06J E12 E-2 rotace mol. r Mikrovlnná X rotace mol> spektroskopie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody oblast záření A (|jm) v (cm1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda r 100 100 E12 E-2 ^ mikrovlnná A >- rotace mol. > E4 1 E10 E-4 4 radar ■< r- spiny elektr. Paramagnetická > E6 E-2 E8 E-6 4 reson. sp. (ESR) televize -J r jaderné spiny Nukleární L E8 E-4 E6 E-8 magnetická radiové vlny -\ resonanční E10 E-6 E4 E-10 sp. (NMR) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 6 Elektromagnetické záření hmota □ látka □ pole elektrické magnetické elektrické pole magnetickej směr pale perioda T = — c amplituda POLARIZOVANÉ ZÁŘENI N E POLARIZOVÁN E ZÁŘENI prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 7 Elektromagnetické záření ■ charakter □ vlnový □ korpuskulárni (fotoelektrický jev) ■ Planckův zákon e = E2-E,=h-v c = X - v v - kmitočet, A - vlnová délka, c - rychlost světla (ve vakuu), f - frekvence v < c; N = —; N - absolutní index lomu v daném prostředí N > 1 v c = 299 792 458 m.s1 v - nezávisí na prostředí (tj. na indexu lomu) —► A A - závisí na indexu lomu x = - = -- — v v N ■ vlnová délka je ve vzduchu (skle atd...) vždy kratší než ve vakuu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 8 Elektromagnetické záření ■ vlnočet v , o v = — A □ počet vln na jednotku délky ■ energie záření e = h-v □ přímo úměrná frekvenci (kmitočtu) vlnočtu □ nepřímo úměrná vlnové délce ■ jednotky: A: 1 nm = 103|jm = 106 mm = 109 m □ nepovolená: Á (angstróm) = 0,1 nm = 1010 m □ rozlišení spekt. čar a šířka spekt. intervalu v atomové spektroskopii: 1 pm (pikometr) = 103nm y : m-1; cm1 = 1 K (KAYSER) v = v - c (vakuuni) h c Á prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 9 Elektromagnetické záření ■ standardy vlnových délek □ vlnový normál - primární standard - oranžová sp. ■ čára kryptonu Kr86 605,7802106 nm □ sekundární standard ■ čáry Fe, Ne, Kr ■ fáze cp = 2n • — = 27tv • t fázový posun vww K"Hi - VVW\ NEKOHERENTNI_* ZÁŘENI u2 = As\r(27rv • t + (p2) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 10 Elektromagnetické záření ■ je charakterizováno □ frekvencí (kmitočtem) □ vlnovou délkou □ rychlostí □ energií« A2 (čtverec amplitudy) □ polarizací □ koherencí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 11 Kvalitativní a kvantitativní aspekty záření <7Ö <7Ö KVALITA - poloha maxima signálu na ose A, v, v KVANTITA - velikost signálu při dané hodnotě kvalita A' V' V ■ předpoklady kvality a kvantity 1) citlivost (směrnice kalibrační závislosti S =íklc + g, minimální vliv osnovy na citlivost) 2) selektivita - rozlišení signálů - interference (přesnost x správnost) 3) linearita S = k.c + g 4) přesnost -> opakovatelnost -> reprodukovatelnost MĚŘENÍ SIGNÁLU - FOTOMETRE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 12 Měření energie transportované zářením ■ vymezení prostoru transportu □ svazek paprsků, obalová plocha (kuželová) divergentní konvergentní D ZÁŘIVÝ TOK ^e=~ďf [W] (tok záření) kosinový zářič Lamb. zákon energie vyzářená do prostoru za jednotku času d0e = Le • dS-dcocoss doj - element prostorového úhlu [sr] dS - element plochy zářiče vyzařující plocha nTAfa?U nin^ 8 - úhel, který svírá normála plošky dS se směrem toku (max O při e = 0) za n c prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 13 Měření energie transportované zářením 2) ZÁŘ [W.sr1.m-2] Le - podíl O připadající na jednotkovou plochu povrchu zářiče, vysílaný do jednotkového prostorového úhlu ve směru paprsku který svírá s normálou plochy dS úhel e 3) ZÁŘIVOST 'o=^ [W.sr1] 4) INTENZITA VYZÁŘENÍ Me=^Éž [W.m2] 5) OZÁŘENÍ E=^- [W.m-2] dA A - ozářená plocha prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 14 Fotometrie OBJEKTIVNÍ (objektivní měření zářivého toku v celém rozsahu vlnových délek) Qe zářivá energie [J], [W.s] Ä J = m2.kg.s2 Oe zářivý tok, tok záření Ä [W] = [J.s-1] le zářivost [W.sr1] Ä intenzita ozařování, ozáření « [W.rrv2] zář, měrná zářivost [W.sr1-rrr2] « expozice, osvit [J.nr2] Ä SUBJEKTIVNÍ (oblast 400-760 nm - viditelné světlo - dříve subjektivní srovnání metody) Q světelné množství [Im.s] -lumensekunda «[cd.s.sr] 0 tok světla, světelný tok [Im] = [cd.sr] 1 svítivost kandela [cd] E osvětlení [Ix] = lux, [cd.nr2.sr] L jas [cd.nr2] H expozice, osvit [Ix.s], luxsekunda prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 15 Fotometrie ■ kandela(SI) □ svítivost absolutně černého tělesa v kolmém směru k povrchu velikosti 1/600 000 m2 při teplotě tuhnutí platiny a při tlaku 101,325 kPa ■ mechanický ekvivalent světla □ zářivý tok světla A = 555 nm (OKO), jehož světelný tok je 1 LUMEN - M = 0,00147 W.lrrr1 - Km = 680 Im.W-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 16 Typy interakcí záření - hmota h.v h.v EMISE ABSORPCE FLUORESCENCE emisi předchází excitace □ srážková - ionty (atom. metody) □ zářivá (fotonové buzení) - fluorimetrie, fluorescence □ proudem elektronů molekulová atomová SPEKTROSKOPIE emisní ^'absorpční \ fluorescenční prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 17 Schéma jednopaprskového mřížkového spektrofotometru SPEKOL y A i i i 5 i i í2Z2j \ 1 / \' / b y 13 > 14 1 - světelný zdroj 2 - kondenzor 3 - zrcadlo 4 - vstupní štěrbina 5 a 7 - kolimátorový objektiv 6 - mřížka na odraz 8 - výstupní štěrbina 9 - kyveta se vzorkem 10 - barevný filtr 11 - selenový fotočlánek 12 - nastavení vlnových délek 13 - tranzistorový zesilovač 14 - indikační přístroj prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 18 Molekulová spektroskopie ■ soubor metod založený na využití těch vlastností molekul, které jsou spojeny s přítomností KOVALENTNÍCH a KOORDINAČNÍCH VAZEB ■ spektrum - závislost veličiny úměrné velikosti zářivého toku nebo jeho úbytku na veličině úměrné energii monochromatického záření (tj. na A, v, v) ■ rozdělení metod □ podle interakce látka-záření □ podle spektrální oblasti □ podle signálu ■ emisní ■ absorpční prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 19 Interakce záření s hmotou vnitřní ENERGIE MOLEKULY * pohybová -< energetické hladiny jader atomů energetické hladiny elektronů EE translační ET (není kvant.) rotační ER (plynné kup.) ^vibrační Ev_y EM = ET + ER + Ev + EE EE> Ev> ER>ET KVANTOVANÁ ENERGIE i Energetické hladiny rotační vibrační elektronové o K o rotační v_ přechody spektra -*- MOLEKULOVÁ SPEKTROSKOPIE v UV, VIS, IR, MW OBLASTI SPEKTRA V vibrační -4- SPEKTROSKOPIE elektronová _y prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 20 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra podle typu kvantového přechodu podle spektrální oblasti UV-VIS 50 - 800 nm IR 1 - 100 um MW 1 - 10 mm elektronická spektroskopie (vibrační přechody) 1) UV-VIS absorp. spektroskopie 2) luminiscenční spektroskopie vibrační spektroskopie (rotačně-vibrační přechody) Ramanova spektroskopie (kombinační rozptyl záření) Infračervená absorpční spektroskopie rotační spektroskopie (rotační přechody) Ramanova spektroskopie Mikrovlnná spektroskopie absorpční prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 21 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra rotační přechody AE =0,01 - 10-4eV t t rot a č n ě-vi bra č n í prechody ►AE = 0,6 - 0,06 eV vibronické prechody ► AE = 1,5 - 6,2 eV v = 3 v = 2 v = 1 Sl v = 0 v = 3 v = 2 v = 1 G v = 0 výběrová pravidla dovolené přechody: změna dipólmomentu molekuly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 22 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra JÍL ROTAČNÍ SPEKTRUM (jen plyny) 50 |jm - 1 mm ROTACNI-VIBRACNI SPEKTRUM (kapalina) 800 nm - 50 |jm ELEKTRONICKÉ SPEKTRUM (50) 200 - 800 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 23 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra r UV SPEKRALNI OBLASTI r V VUV (vakuová UV) 50 - 200 nm vzdálená blízká UV 200 - 400 nm VIS - viditelná 400 - 800 nm Raman. f NIR (blízká IR) v = 12500 - 5000 crrr1 x rotačně- vibrační IR -f střední IR v : (IČ) vzdálená IR v = 500 - 100 cm1 rotační mikrovlnná oblast prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 24 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, R, MW oblasti spektra signál: emisní, absorpční (luminiscenční) □ absorpčně-spektrometrické veličiny □ tok - dopadající O0 - propuštěný a > 0 [%] = -log7 0 lichá - mění při inverzi dle počátku souř. znaménko d-orbital - } sudá fee. atomový inverze \ I / p-orbital lichá fee. atomový inverze molekulové orbitaly sudé---------—> g y indexy liché------------u GERADE, UNGERADE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 30 o + o Is Is 2P, 2f> + + + + Is O + O Is 2p 2p 00 olo 1 s Iq vazebný s crg moment hybnosti = O 1s řu antivazebný s a* 2p Ig vazebný p og moment hybnosti = O 2p Zu antivazebný p o* ^ A=A=0 symetrické podle osy spojující jádra /t = A = 0 2p flu vazebný p nĽ "\ moment hybnosti t O 2p ľlg antivazebný png y A = 1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 31 atomové s + s^> agía*u atomové p+ p^> Gg,a*u nu,n*Q SgíS* 9, \9 A = 0 A = 1 A = 2 S n a ELEKTRONY valenční vazebné orbitaly protivazebné orbitaly subvalenční (obsazené vnitřní hladiny) nevazebné (zůstávají v původních atomových orbitalech) —► volné elektronové páry —► nevazebné molekulové orbitaly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 32 Multiplicita termů důsledek kombinace prostorových a spinových funkcí 2 elektrony triplet □ paralelní spin _1. _1 Q_ si - 2' s2 - 2 ^ - s1 + s2 -1 2S + 1=3 □ antiparalelní spin = +^;s2 = ~ S = s1 + s2 = 0 2S+1=1 triplety singlety singlet -+^ A —4ť-J .T, AE{ AE í ET TT* -> TT* er TT* n o 100 200 300 400 A [nm] HEKONJUGOVANÉ CHROMOFORY energie: a lokalizace elektronických přechodů při absorpci 6 typů: a a tt tt n n TT tt1 tt* (aa*) ] (gtt*) (ttg*) (tttt*) (niT*) (na*) malý význam prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 34 Typy elektronických přechodů v molekulách a jejich projevy ve spektru 1) a —> a* vzdálená UV oblast (< 150 nm) jednoduché vazby v nasycených HC □ nespecifické informace —► malé využití 2) n —> a* i blízká UV oblast molekuly s volnými el. páry (v nevazeb. orbitalech) O, S, N; □ E, A = f (ELEKTRONEGATIVITY); čím menší elektronegativita, tím delší A CH3CI, CH3Br, CH3II73 nm 258 nm 3) tt —► tt* nenasycené sloučeniny VUV (C2H4 « 175 nm) konjugace —► delší A 4) n —> tt* □ 270 - 290 nm - C = o) - C = s) - N = o) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 35 Chemická teorie barevnosti CHROMOFORY a AUXOCHROMY VIS 400 - 760 nm 1) CHROMOFOR - „nositel barevnosti" - funkční skupiny, strukturní prvky -c = c-c = c- -c = o -n = n- © -c = c- 2) AUXOCHROM - vazba na chromofor - prohloubení barevnosti - oh - ňh2 - čil - Bri (volné el. páry schopné konjugace s el. systémem chromoforu) auxochrom —> chromofor —> posun a změna er / k delším A - BATHOCHROMNÍ (červený) Posun / ke kratším A - HYPSOCHROMNÍ (modrý) vzrůst = HYPERCHROMNÍ posun pokles = HYPOCHROMNÍ posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 36 Chemická teorie barevnosti ■ významné absorpční pásy - při dlouhých vln. délkách ■ nejcharakterističtější pro danou látku ■ přechod elektronu mezi hladinami s nejmenší AE □ z obsazeného orbitalu s největší energií HOMO Highest Occupied Molecular Orbital □ do volného orbitalu s nejnižší energií LFMO Lowest Free Molecular Orbital □ poloha absorpčního pásu - řešení Schródingerovy rovnice, aproximativní metody - tt, n orbitaly, zanedbání a □ tt - elektronová aproximace (Húckel) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 37 Tvar a vibrační struktura absorpčních pásů Franck - Condonův princip max. překryvy vlnových funkcí (max. signál) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 38 Tvar a vibrační struktura absorpčních pásů Franck - Condonův princip vibrace molekuly « 1012 s přechody elektronů « 1015s i) 2) přechod elektronu ze stavu E proběhne při zachování mezijaderné vzdálenosti tato vzdálenost může odpovídat stlačené konformaci vazby a proto dodatečně jádra zaujmou energeticky nejvýhodnější polohu nejpravděpodobnější změna vibračního stavu maximální součin vibronických funkcí základního a excitovaného stavu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 39 Výběrová pravidla ■ určují zda je určitý přechod elektronů dovolený nebo zakázaný i) zakázané jsou přechody, při nichž se mění multiplicita (tj. přechody mezi singletovými a tripletovými stavy) □ 2S + 1 S = I s, □ podmínka abs. přechodu AS = 0 □ výjimka: přechody triplet (exc.) —> singlet (zákl.) (FOSFORESCENCE) spinově zakázané přechody prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 40 Výběrová pravidla 2) podmínkou absorpce záření je změna dipólového momentu molekuly □ moment přechodu Rmn +- +00 mn -00 podmínka absorpce Ř - vektor dipólmomentu; x¥m,x¥n - vlnové funkce stavů m,n + oo5 — oo - symetrické meze integrace; dr - prostorový element INTEGRÁL SOUČIN: LICHÁ funkce = O (plochy se eliminují) SUDÁ funkce í O (plochy se sčítají) sudá x sudá = lichá x lichá = SUDÁ sudá x lichá = lichá x sudá = LICHÁ Ř je funkce lichá —> aby ^ O , pak musí být • ^ také lichý -> y¥m sudá když x¥n lichá a naopak prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 41 Výběrová pravidla □ jedna z vln. funkcí (excit. nebo zákl. stavu) musí být lichá, druhá pak sudá —► symetricky zakázané (dovolené) přechody □ analogie u atomových orbitalů ■ s - sudá, p - lichá, d - sudá, f- lichá —> s^p, p^d, d-»f s^s, p^p, d^d, f —►f, s □ molekulové orbitaly ■ zakázané přechody d,p-f absorpční pásy ■ intenzivní (dovolené přechody) slabé (zakázané přechody) DOVOLENE ZAKÁZANÉ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 42 Výběrová pravidla 3) absorpce závisí na úhlu mezi Ř a el. vektorem elektromagnetického záření | | « MAX □ statické orientace molekul el. vektor elmag. zář. kmitá ve všech směrech v rovině kolmé na smer siřeni prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 43 Výběrová pravidla □ intenzita absorpčního pásu « Rmn □ síla oscilátoru (Oscillator Strength) 3h-e pološířka = šířka v poloviční výšce max fm = 4,32-10"9 j tt* přechody N —> V a) izolované dvojné vazby (< 200 nm) C2H4 « 175 nm, substituce alkyly vede k posunu 175 —> 200 nm ■ spektrum X-(CH2)n-Y je podobné spektru směsi 50% X-(CH2)n/2-H a Y-(CH2)n/2-H, kde X, Y jsou chromofory b) konjugované násobné vazby ■ delokalizované tt-elektrony ■ interakce chromoforů: z molekulových orbitalů samostatných chromoforů vznikají konjugací chromoforů nové molekulové orbitaly s odlišnými energiemi C4H6 BUTADIEN H \ \ H H C = C \ H c = c \ H H prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 45 Alifatické nenasycené uhlovodíky BUTADIEN 4 atomové orbitaly 2p « vlnové funkce 4^, 4^, 4^, 4^4 -> —> 4 molekulové orbitaly tt2, tt^ tt^, tt2* « vlnové fce 01f 02, ^3» ^ lineární kombinace AO © © = atomy c-i-c3 c2—c4 c2MJ2 c4Mj4 tt2 ORBITALY 3 = + - - + tt2* <»4 = + - + - J □ delokalizované orbitaly - vznik kombinací 2 vazebných tt orbitalů a 2 protivazebných tt* orbitalů skupin CH2= CH - (shodných s etylenem) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 46 Alifatické nenasycené uhlovodíky TT vazebné « cp-, = c1MJ1 + c2W2 TT* protivazebné cp3 = c^ - c^ cp2 - c3'+'3 + c44-'4 CP4 = C3'+,3 - C4'+,4 tt2: u,: TT- D E LOKALIZOVÁN É cp^ q>2 < q>3, q>4 01 = (Pl +92 = 0^! + c2^2 + c3^3 + c44\ CD2 = cp1 - cp2 = c1^1 + c2^2 -c3^3 - c4% J 03 = cp3 - cp4= Ci% - c24V c3^3 + c44\ 04=(p3 + Cp4=C1^1- C2^2+C3^3- C44\ J TT2* > T^* > TT-j > TT2 TT2 < TT < TT-j TTh* < TT* < TTo* VAZEBNÉ PROTIVAZEBNÉ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 47 Alifatické nenasycené uhlovodíky konjugace ~ snížení AE mezi HOMO tt, a LFMO rr/ve srovnání s C2H4 M 0 c—c—c—c - tt* 00 % 4 3 2 ae í ae tt; LFMO t^ HOMO tt, c—c —c —c. c—c—c—c c—c—c—c ,0 o ;c— c ,0 0 n 4x pz g^g tt. tt 1 ZAKÁZANÉ SYMET. přechody: tt-, —> tt-,* (delší Á); tt/ tt2 —► tt2* (kratší A); tt2* ■ u —> u AE (tt1 ^tt1*)buta< AE (tt^tt*)ethyl^ Amax = 217 nm BUTA prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 48 Alifatické nenasycené uhlovodíky nejdlouhovlnější pás « největší význam, N —► V-, přechod série lineárních polyenů lfmo ae HOMO, O O n = 1 x o o -0-0- n = 2 -0-0- -0-0- n = 3 -0-0- -0-0- Q O n = 4 nenasycené alternující uhlovodíky n - počet nenasycených konjugovaných vazeb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 49 Alifatické nenasycené uhlovodíky alternující uhlovodíky / □ počet dvojných vazeb roste □ AE přechodu N —> V1 klesá □ Amax roste (Bathochromní posun) —> barevnost □ c roste (intenzita absorpce) □ A, B konstanty = f (R15 R2), kde Rr(CH=CH)n-R2 . Rl5R2 = také (q) -cíhq -c(^H ■ n BARVA: 4-5 žlutá 8 oranžová 15 fialová ■ vysoké hodnoty n —> konvergence bathochromního posunu konst. hodnotě prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 50 Alifatické nenasycené uhlovodíky izoméry □ TRANS- □ CIS- □ trans ■ lepší dipolární struktura, vyšší stabilizace excitovaného stavu ■ větší snížení AE mezi excitovaným a základním stavem ve srovnání s cis —> absorpční pás k vyšším A prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 51 Alifatické nenasycené uhlovodíky ■ acetylén + polyiny ■ trojná vazba □ kratší, tt el. silněji poutány, o (hybridizace sp), ttx, tty, ttx*, ttx*, o* —> acetylén « 2 absorpční pásy pro tt —> tt* přechody ■ C2H2«173nm □ maxima intenzivních nejdlouhovlnějších pásů polyinů jsou posunuta o 50 nm ke kratším A ve srovnání s polyeny (stejné M) □ s rostoucí konjugací roste proto Amax přechodu tt —> tt* rychleji než Amax přechodu n —> tt* —> překrytí pásu n —> tt* (N —> Q) intenzivnějším pásem tt —> tt* (N —> prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 52 Alifatické nenasycené uhlovodíky příklad: n —> TT* TT->TT* nasyc. //0 //0 R-CXh RrCXR2 280 - 290 nm emax Ä 1 5 170 nm konjug. s. _^ = ^_ 320 -> 330 nm emax = 15-30 210-240 nm emax 6000 - 20 000 konjug.s. _{CM_ 270 nm emax - 25 000 TTT n->v, n e- n ^ q_n_-»v. n i. rľ n-íqn^v; n n o -©■ i. n = 1 -©— n = 2 -©—©- -©—©-n = 3 -e—e- -©— n = 4 nenasycené ketony a aldehydy nenasycené kyseliny a jejich deriváty absorbují při kratších A než R_cijJ Rl-c z R2 o prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 53 Alifatické nenasycené uhlovodíky ■ polyiny □ výrazná vibrační struktura □ při konjugaci více než 2 trojných vazeb cmax —► 100 000 - 500 000 □ jedny z nejvyšších hodnot e v org. sloučenin, příčina: lineární struktura sp hybridizace větší počet tt-elektronů POLÁRNĚJŠÍ STRUKTURA LEPŠI ROZDĚLENÍ EXCITOVANÉHO STAVU NÁBOJŮ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 54 Elektronická spektra důležitých tříd látek 2) DERIVÁTY ALIFATICKÝCH UHLOVODÍKŮ □ přechody n —> a* (VUV) nasycené ethery, alkoholy, thioly, aminy, alkylhalogenidy ■ n C « He 2s22p2 tt* c = 0 c = s -c = n - c = q, ch20 -.. ct i h 1s . 2sp2--*-2sp2 -< V \ r- ^ i 4- tj(C-H) n — tt*v tr(G-O) n = n 0 = He 2s22px2pv1pz1 2sp \ ATOMOVÉ ORBITALY ■2sp prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 55 Deriváty alifatických uhlovodíků FORMALDEHYD kyslík n, (2py) - tT PŘECHODY^ j kyslík n2 (2sp) -> Tf symetricky zakázané slabé pásy (emax=10-60) nasycené sloučeniny: aldehydy } 27Q _ 2g() nm ketony org. kyseliny i estery amidy TT TT symetricky dovolené vzdálená UV oblast > 200 - 220 nm zakázané přechody jsou umožněny y v důsledku vibračního porušení symetrie molekulových orbitalů prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 56 Deriváty alifatických uhlovodíků □ nejdelší vln. délka « n1 —> tt* □ další přechody: n2 —> tt*, tt —> tt*; vliv CIS-TRANS □ např. diazomethan, emax = 1200, Amax= 410 nm chromofory s nevazebnými páry - konjugace s násobnými vazbami -snižování AE mezi: ■ n a tt* (N Q) - TTaTť^N^Vi) ■ s rostoucím počtem n' konjugovaných dvojných vazeb se snižuje více rozdíl mezi tt a tt* než rozdíl n a tt* prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 57 Elektronická spektra důležitých tříd látek 3) AROMATICKÉ UHLOVODÍKY, JEJICH HETEROANALOGA A SUBSTITUČNÍ DERIVÁTY alternující uhlovodíky každý atom jednoho druhu je obklopen pouze atomy opačného druhu nealternující uhlovodíky A.U. ,mají molekulové orbitaly s energetickými hladinami symetricky rozloženými kolem střední hodnoty prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 58 Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty a) benzen a kondenzované aromatické uhlovodíky 6x pz orbital —> 3x tt + 3x tt* 2) AE AE AE (1 ->2') = AE (ľ A i 1 2 n 3 1 -^2 1 1 1^2' ß i p P Gl 1 - 1 1 P AE = 0 BEZ KONFIGURAČNÍ INTERAKCE SLA.BA INTERAKCE SILNÁ INTERAKCE degenerace přechodů 1 —> 2' a 2 —> 1' se ruší díky konfigurační interakci (interakce excitovaných stavů) - vyjádření « lineární kombinace prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 59 Benzen a kondenzované aromatické uhlovodíky 1 _>1 =p-PÁS (1 La) 1 -^2'=a-PÁS (1 Lb) 2->1 '«p-PÁS (1 Ba b) —► 3 přechody « 3 absorpční pásy VZDÁLENÁ 0 1 2 3 n 4 n = počet benzenových jader 185 202 fl^ vibrační struktura zakázaný přechod 200 230 260 290 [nm] BATHOCHROMNÍ POSUN S ROSTOUCÍ N (JADER BENZ.) ft NAFTALEN 200 250 300 [nm] 200 250 300 350 [nm] TETRACEN 278 nm 473 nm PENTACEN 580 nm barevné prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 60 Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty b) substituční deriváty benzenu ■ tří pásový systém benzenu zachován ■ bathochromní posun vlivem substituentů ■ intanzita abs. pásů roste vlivem substituce (porušení symetrie TT-el. systému) ■ potlačení vibrační struktury velikost bath. posunu: P-PÁS: 200 210 až 240 nm □ - R, - X (alkyly halogenidy) - INDUKTIVNÍ EFEKT stejný vliv na G i E stav —> mírný bath. posun a, p pásů prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 61 Substituční deriváty benzenu □ - OH, - OR, - NH2, - NR2 « auxochrómy +M EFEKT interakce n elektronů s tt systémem benz. jádra —> zvýšení el. hustoty —> bathochromní posun a pásů a vzrůst abs. koef. (Amax = 270 - 290 nm) výrazný bathochromní posun a hyperchromní posun (emax) důvod: nový molekulový orbital = možnost přechodu □ obsahují-li chromofory volné el. páry —> přechod n —> tt* —> další pás 2) chromoforní subtituent je oddělen od skupinou (např. - CH2-)5 která brání konjugaci —> spektrum má aditivní charakter směsi a* absorpce < 200 nm (jako alifatic.) aromatické: 6-článkové « (Q) , pyridin izoelektronické ľvT sp- N - porušení symetrie tt systému —> zvýšení absorpce m CHINOLIN ISOCHINOLIN N AKRIDIN n -> n* n n* - málo intenzivní prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 64 Heterocyklické sloučeniny %max 'max %max 'max 5-článkové: □ elektronegativita: O > N > S □ zapojení el. páru do tt systému: O < N < S XL n - o o o H FURAN PYRROL THIOFEN 200 nm 10 000 210 nm 16 000 340 nm 300 n TT TT' přechody prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 65 Elektronická spektra důležitých tříd látek 4) ORGANICKÁ BARVIVA ■ několik konjugovaných chromoforů ■ funkční skupiny obsahují heteroatomy a jsou odděleny: soustavou lichého počtu methionových skupin se střídajícími se jednoduchými a dvojnými vazbami - CH = □ methionovou skupinou se dvěma (Q) s částečně chinoidní strukturou Q-CH=Q uhlíkem se 3 (Q) s část. chinoid. strukturou prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 66 Organická barviva trifenylmetanové barvivo: BENZAURIN - kyselé koncové funkční skupiny vstupují do konjugace svými vol. el. páry —> mají ionoidní charakter (náboje) trifenylmetanové barvivo: MALACHITOVÁ ZELEŇ - bazické totožné koncové skupiny —> nejdokonalejší konjugace —> největší bathochromní a hyperchromní posun X nesymetrické substituenty ~ kratší vlnové délky_ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 67 Elektronická spektra důležitých tříd látek 5) ANORGANICKÉ IONTY A KOMPLEXY KOVŮ ■ kovové ionty Mn+ L ATOMOVÉ ORBITALY (přechody « atomovým jednoduché anionty (Cľ, Br, ľ) J spektrům anionty víceatomové (koval, vazby: CO32", SO42"Ä org. chromoforům) komplexy s ligandy MOLEKULOVÉ ORBITALY TEORIE LIGANDOVÉHO POLE MOLEKULOVÉ ORBITALY prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 68 Anorganické ionty a komplexy kovů ionty přechodných prvků - hybridizace d2sp3, sp3d2 V-v-' OKTAEDRICKÁ HYBRIDIZACE □ vnitřní orbitalové (nízkospinové) ^ > KOMPLEXY □ vněorbitalové (vysokospinové) J (d4, d5, d6, d7) CFT, ACFT, LFT teorie ligandového pole, teorie krystalového pole prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 69 Anorganické ionty a komplexy kovů SPEKTRÁLNÍ PŘECHODY D LFT d —> d přechody v atomových orbitalech □ multiplicidně ~i __.__- V zakázané —> slabé absorpční pásy □ spinove J d —> tt přechody mezi / d orbitaly kationtů Mn+ tt —► d L tt orbitaly ligandů X, X 2) MO nestačí uvažovat jen elektrostatickou interakci kov-ligand podle LFT, ale kombinaci: □ s, p, d AO kom -i □ a, tt MO ligandu J ~~' M^ energie orbitalů v pořadí: aLiGAND < ^"ligand < (n""0 dkov < nskov < npkov prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 70 Anorganické ionty a komplexy kovů nejčastěji oktaedrické uspořádání: centr. at. + 6 ligandů 1) 6 aUG + (s, p, d) orbitaly kovu 1 6 a nebo + 6x (sp3d2) hybridizované J 6 a* 2) 6 ttL|G + p, d orbitaly kovu -> 6 tt, 6 tt* ■ malé rozdíly mezi energiemi obsazených a neobsazených MO -> absorpce ve viditelné oblasti, mnoho pásů KOV AO up- ri s KOMPLEX MO o'- 6 UGANDU MO [Mn[H20)6] * \ a' fn-1)d n -l.ü>- i- V a a 350 400 500 600 malá intenizta A [nm] zakázané přechody porušená symetrie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 71 Elektronická spektra důležitých tříd látek 6) SPEKTRA PŘENOSU NÁBOJE (CHARGE-TRANSFER) donor ^ ■ 2 molekuly blízko sebe ^ r elektronu ^ akceptor ^ excitace z obsazeného orbitalu donorového do neobsazeného orbitalu akceptoru —> vzniká „charge-transfer komplex" nový absorpční pás = pás přenosu náboje, malý rozdíl E, delší vlnové délky - VIDITELNÁ OBLAST - BAREVNÉ LÁTKY donory: n, tt, o akceptory: tt, o, v jód v organických rozpouštědlech uhlovodíky halogenová rozpouštědla s heteroatomem rozp. fialová (jako páry l2) s volným el. párem kyslíkatá přechody mezi MO jodu rozp., pyridin —► hnědá _přechody el. páru O na MO jódu_ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 72 Vnitrní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra ■ chromoforní systém konjugovaných nenasycených vazeb ■ zvýšení konjugace —► bathochromní posun + hyperchromní posun ■ snížení konjugace —> hypsochromní + hypochromní posun 1) zapojení dalšího strukturního prvku s tt, n elektr. 2) induktivní a mezomerní efekt 3) tvorba komplexů 4) sterické efekty 5) tautomerie 6) vliv rozpouštědla 7) vliv pH 1 .-5. vnitřní vlivy 6. a 7. vnější prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 73 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra d 4. STERICKÉ EFEKTY X STE RICKE BRÁNĚNI BIMESfTYL CH, / H& MESÍTYL - volná rotace Q+s hjc - dokonalá konjugace- kolmé roviny obou jader (také meta- a para- deriváty) □ BIMESITYL - absorpce při stejné vlnové délce jako mesityl, ale 2-násobná intenzita 5. TAUTOMERNÍ ROVNOVÁHY □ t. formy mají odlišné konjugované systémy p-nitrasofenol p-benzochinan manoxim prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 74 Vnitrní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra □ prostorového momentu excitovaném stavu □ dipólového momentu 1-^> poloha abs. pásů, int. abs. se mění ■ větší polarita —> silnější interakce nepolární rozpouštědla - spektra rozpouštěných látek odpovídají spektrům v parách polární rozpouštědla - stabilizují polárnější strukturu molekuly 6. VLIV ROZPOUŠTĚDLA ELEKTROSTATICKÉ INTERAKCE na větší vzdálenost na krátkou vzdálenost ovlivnění: □ uspořádání elektronů v základním stavu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 75 Vliv rozpouštědla interakce dipól - dipól: □ excit. stav « polárnější struktura —> 1) stabilizace tt* —> snížení energie přechodu tt —> tt* —> bathochrom. pos. 2) stabilizace n elektronů « snížení e. nevaž, orbitalu —> zvýšení e. přechodu n —> tt* —> hypsochrom. posun ■ vodíková vazba □ především spektra látek s )c = o) , polární protická rozpouštědla (alkoholy, H20) —> vodík, vazby )c = Ô H — O — R □ v karbonyl. sloučeninách v excit. stavu dipólové struktury C — C = C — O" —> tt —> tt* stabilnější H-vazby než nepolární formy v zákl. stavu —> snížení E excit. hladiny snížení AE BATHOCHROMNÍ POSUN prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 76 Vliv rozpouštědla n —> tt* H-VAZBA stabilizuje volný elektronový pár )C - O) ^ —> snížení e. hladiny n - orbitalu n tt* se zvýší AE HYPSOCHROMNÍ POSUN (ke kratším Amax) příklad: aceton —> v nepolárním C-H, Amax« 279 nm i v H20 Amax = 264,5 nm j identifikace pásů n —► tt* přechodů ve spektrech výpočet síly H-vazby z posunu podmínky pro volbu rozpouštědla pro UV-VIS spektra: rozpustnost látky inertnost rozpouštědla propustnost rozpouštědla v oblasti měřená spektra H20, EtOH, MeOH, n-hexan, n-heptan, petroléter, cyklohexan prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 77 Vliv rozpouštědla n-heptan n-hexan j > 280 nm ABSORPČNÍ HRANY (transparentní při A > x) n-pentan^ benzen ►>210nm toluen m-xylen > 290 nm diethyleter > 220 nm cyklo-pentan > cyklo-hexan [ >210nm pentan sírouhlík > 380 nm CCI4 > 265 nm chloroform > 245 nm H20 > 200 nm aceton > 330 nm acetonitril > 210 nm pyridin > 305 nm N,N-DMF>310 nm MeOH EtOH 210 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 78 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra 7. VLIVpH ■ elektronická spektra látek s acidobazickými vlatsnostmi □ uvolnění □ adice (ff) —► změna konjugovaného chromoforního systému □ fenol <-> fenolát □ anilinium <-> anilin ^ □ pyridinium - pyridin navíc el. pár pro konjug. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 79 Vliv pH ACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORY □ azosloučeniny, ftaleiny, sulfoftaleiny - H ■4. I -h H4 BEZBARVÁ PURPUROVÁ A ma 554 nm □ chinoidní tt-el. struktura vstupuje do konjugace s 2 benzenovými jádra + přibývají volné el. páry na kyslících —> vstup do interakce s tt-el. systémy □ další substituenty (thymolftalein) BATHOCHROMNÍ POSUN Amax = 602 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 80 Vliv pH různě absorbující formy —> stanovení disociačních (ionizačních) konstant ze spektro fotometrických měření a = f(pH) HAoH+ + A~ AA_=eA_.c-ľ, AHA=eHA'hc, a = (e A_ \a]+eha[ha\ l 2.pH 3.pH l-délka kyvety všude stejná, c = [a]+[ha] = koňští K = ^IA~L [H+ ] logAC - log[H+ = >4- A = pK = pH-\og——^ - vliv iontové síly --— - extrapolace AHA, AA_ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 81 Empirické výpočty elektronických spekter ■ X kvantitativní chemické výpočty ■ PRAVIDLA PRO VÝPOČET Amax 1) WOOD WARD-FIESEROVA pravidla ■ a) uhlovodíky s 2-5 konjug. dvoj. vazbami základ: dien » Amax 217 nm příspěvek pro: + homoanulární dien + 36 nm (2 dvojné vazby uvnitř stejného kruhu) + další dvojná vazba v konjugaci + 30 nm + exocyklická dvojná vazba + 5 nm + substituenty na nenasyc. uhlících - R +5 nm - X +5 nm - OR - 6 nm ■ b) polyeny > 5 konjug. dvoj. vazeb ■ c) nenasycené konjugované aldehydy a ketony prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 82 Empirické výpočty elektronických spekter 2) NIELSENOVA pravidla a, (3 nenasycené karboxylové kyseliny a estery 3) SCOTTOVA pravidla typ substituovaného acetofenonu R - alkyl nebo zbytek kruhu, -OH, aryl, H atd. x prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 83 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti ■ principiální schéma přístroje pro UV-VIS spektroskopii jedno paprskový přístroj ZDROJ ZÁŘENÍ MONOCHROMATOR ABSORBUJÍCÍ SYSTÉM ČIDLO ZÁŘIVÉHO TOKU dvou paprskový přístroj ZDROJ ZÁŘENÍ MONOCHROMATOR ABS. SYSTEM VZOREK, ST. ABS. SYSTÉM REFEREND. ČIDLO Z. TOKU i ČIDLO i Z. TOKU ČIDLO Z. TOKU MERNY INDIKÁTOR ABSORPCE MERNY INDIKÁTOR ABSORPCE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 84 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti r hodnoceni absorpce objektivní < r ^ subjektivní < spektrofotometr fotometr subjektivní fotometr (vizuální) kolorimetr, komparátor uzka sbw, > hranol mřížka filtry, Y široká sbw spektrálni >- kvalita záření způsob mereni metodou -< vychylkovou kompenzační substituční y jedno-1 dvou- paprskové prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 85 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti ■ základní prvky přístrojů □ zdroje záření, monochromátory a filtry, kyvety a rozpouštědla, čidla záření, záření pro měřitelné zeslabování zářivého toku, pomocná optika ■ zdroje záření □ vodíková lampa: spojité spektrum 200-375 nm, U = 80-100 V, I = 1,3 A, oblouk, křemen, okénko □ deuteriová lampa: spojité spektrum od 160 nm, 3x vyšší intenzita než H-lampa □ xenónová výbojka: spojité spektrum UV-VIS, pouze několik čar, U = 20-50 V, I = 3-200 A, zapálení vf 10-50 kV, oblouk-xenon v křemenné baňce □ rtuťová lampa: čárový zdroj, kalibrace spektrofotometrů čáry: VIS: 404,7 nm; 435,8 nm; 546,1 nm; 577,8 nm UV: 365,0 nm; 334,2 nm; 302,2 nm; 253,6 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 86 Zdroje záření spektrální lampy: výbojky s oxidovými elektrodami, intenzivní čárová spektra (jako Hg-lampa) wolframová lampa: spojité spektrum VIS-NIR: 350-1300 nm, citlivá na napětí: emise « U3-U4 (změna spektr, charakteristiky), max. emise pro barevnou teplotu vlákna 2600-3000 K rel. rozložení energie « černému tělesu halogen (Br, I) halogenid wolframu LASER: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation: aktivní prostředí rezonátor zdroj pro čerpání energie do aktivního prostředí R h.v prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 87 LASER stimulovaná emise = foton při interakci s atomem (molekulou) způsobí přechod at. (mol.) do zákl. stavu —> vyzáří se druhý foton (stejné A, směr, fáze —> časová a prostorová koherence) □ podmínky S.E.: inverzní populace N2/N1 = 1 Boltzmann. zákon •z-r čerpaní 3 horní hladina 2 metastabilni hladina generace 1 základni hladina Tříhladinový systém doba života: t21 « 10-4 - 103 s (metastab.) t32 a 108 s prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 88 LASER □ □ □ rezonátor - mnohonásobný odraz záření (dutina) a interference. FABRY-PERROT INTERFEROMETR - dvě zrcadla fledno polopropustné), nebo zrcadlo + rot. hranol, zrcadlo + mřížka, DÉLKA = (A/2) * r —> charakter záření: fluorescenční spektra monochromatické 1 J - 20 J zrcadlo rubín, tyčka výbojka polopropust. zrcadlo koherentní intenzivní pulsní režim: čerpací mechanismus režim rezonátoru pulsy 107- 1012 s, 109 W/cm2- hustota, výkony = 50 MW(nanosekundy) Q-switch - klíčované lasery zkřížené polarizátory - periodické stáčení polariz. světla - propouštění prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 89 LASER □ LASER plynný kapalný pevný □ emise kontinuální pulsní □ čerpání el. výboj v plynech přenos excit. energ. laserem blesk, světlem kout. zdrojem (Xe) elektrony (svazek) ohem. energie druhy LASERŮ rubín (Al203-Cr) Nd: sklo Nd: YAG (Y-AI-granát) Srn: CaF2 He-Ne barvivové lasery prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 90 LASER pro MAS v UV-VIS: BARVIVOVÉ LASERY kyveta s barvivem v roztoku mezi reflekt. mřížku a polopropustné zrcadlo - výstup ladění = větší počet barviv (Kumariny, Rhodaminy, Kresyl. violeť, fluoresceiny): 358 - 641 nm čerpání: N2, Nd: YAG laser zrcadlo mřížka čerpaní (laserem) expander paprsku kyveta s barvivem -O zrcadlo rezonátoru Top Vir* ASE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 91 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti ■ monochromátory a filtry □ filtry: křivka propustnosti T = f (T), pološířka AA pro Tmax/2, AA pro Tmax/10 vymezuje sp. šíři propouštěného záření výsledný vliv na zářivý tok: - emisní spektrum zdroje - křivka propustnosti filtru - křivka citlivosti (spektrální charakt.) detektoru integrální propustnost filtru 0 = 7~max • AA j = h_ SA - citlivost detektoru prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 92 Filtry □ barevné absorpční filtry: a) pevné skla vybarvená oxidy kovů skla s vrstvou želatiny s org. barvivem pološířka (AA při Tmax/2) 20-80 nm b) kapalinové □ kyvety s roztoky: CuS04.5H20, CuCI2.5H20, CoS04.7H20, KMn04, malachitová zeleň, kys. pikrová, voda = tepelný filtr, roztok NaN02, KN02, propouští VIS, abs. UV prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 93 Filtry □ interferenční filtry: princip: Interference záření při mnohonásobném odrazu mezi dvěma polopropustnými odrazovými plochami, které ohraničují dielektrikum o vysokém indexu lomu. maxima propustnosti - interferenční podmínka m • 1 =2d-n-sirh9 sin*9 = 1,3 = 90° sklo AÁ = 8 nm, T = 60 - 90% Ag , „ Ag napařené (AD MgF2 (AD VrStVy n„= 1,38 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 94 Filtry □ interferenční filtry: a) jednoduché b) posuvné (klínovitá vrstva diel. —> roste A) c) pásové (5-25 vrstev) střídání malého a velkého indexu lomu mezi metalíz, vrstvami 100 —i—i—i—i—r 200 400 600 800 A (nm) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 95 M o n och ro máto ry a) kolimátorová část (vstupní štěrbina v ohnisku objektivu kolimátoru) b) disperzní systém 1. mřížka na odraz 2. hranol c) kamerová část - kamerový objektiv snímá vystupující monochromatické svazky —> monochromatický odraz vstupní štěrbiny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 96 Hranolové přístroje SNELL s\na s\nß v v, N2 = "12 = N. ó = lámavý úhel d = deviace paprsků a1 - úhel dopadu (vzduch - hranol) (31 - úhel lomu (vzduch - hranol) (32 - úhel dopadu (hranol - vzduch) a2 - úhel lomu (hranol - vzduch) úhel 1 = a1 - (31 úhel 2 = a2 - (32 . Ô+3 . S minimální deviace sin-= /7-sin— 2 2 nejkvalitnější obraz vstupní štěrbiny největší rozlišovací schopnost prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 97 Spektrální přístroje lineární disperze, úhlová disperze 2) rozlišovací schopnost 3) světelnost ad 1) = charakteristická disperze materiálu = úhlová disperze hranolu (úhel mezi paprsky 2 vlnových délek, AA « dA = 0,1 nm A3 2 (dn\ t ÍS + 3^ tg 2sii ô n ydXj 2si v f 1 - n2 • s i n2 L ^drŕ KdXj ^An^ AA a 2 ■ 2 U 1-/r -sin yAÄj prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 98 1) Lineární disperze, úhlová disperze reciproká lineární disperze dA ydlj s\r\s nebo n sins 2'~T tg f- Ô + 3 KdÄj nm mm co neimenší {— [dl] tím lepší rozlišení 8 = 90°, n = f(A)-hyperbolická závislost prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 99 2) Rozlišovací schopnost AÄ J Rayleighovo kritérium i i _ä_ aä (ä,+ä2) R = b ä-\ — ä2 dn = R dÁ b - základna hranolu R = a a - průmět disp. členu kolmo ke směru paprsku materiál hranolů: požadované vlastnosti □ propustnost pro záření v široké oblasti spektra □ isotropní, homogenní □ odolný vůči vlivům atmosféry □ opracovatelný do vysokého lesku □ (dn/dA) málo závislé na teplotě prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 100 2) Rozlišovací schopnost tuhé látky □ krystalické (křemen, kazivec, halit) □ amorfní (sklo, tavený křemen) kapaliny (duté hranoly + H20, CS2, krystal propustnost n Kl 250 nm - 31 um 1,6634 KBr 210 nm - 28 um 1,5581 Li F 120 nm - 7 um 1,39177 CaF2 120 nm - 9 um 1,43385 Si02 185 nm - 3,5 um 1,54426 1,45848 NaCI 200 nm - 17 um 1,54431 KCl 200 nm - 21 um 1,49038 skla 360 nm - 2,2 um 1,6634 UV skla od 300 nm 200 400 600 [nm] prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 101 2) Rozlišovací schopnost ■ krystalický křemen: dvojlom X jediný směr = optická osa křemene - jeden paprsek, v jiných směrech 2 2) rotační polarizace (kmitová rovina lineárně polarizovaného světla se stáčí —> jako kdyby se šířilo světlo stejným směrem, ale dvěma různými rychlostmi —> zdvojení obrazu i ve směru optické osy křemen pravo- a levotočivý —> kombinace hranolů Cornnho hranol: pravotočivý + levotočivý —> eliminace efektů □ kombinace optických částí: objektiv kolimátoru © křemen objektiv kamery Q křemen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 102 Typy hranolů 60° hranol minimální deviace pro A1 osa ^otáčení Broca-Pellin s konstantní deviací pro každé A vstupní a výst. paprsek úh. 90( Littrow Runefordův hranol K - korunové sklo F - flintové sklo Féry '1,2,3 Amiciho přímohledný hranol Ai - paprsek neodchýlen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 103 Mřížky ■ disperze světla na záklac ■ mnzka □ na průchod □ na odraz c/(sina + sin/?) = m-Á a - úhel dopadu n - počet vrypů/mm □ reciproká lineární disper; ohybu (difrakce) d - mřížková konstanta (3 - úhel difrakce dÁ _ COS J3 dl m-f-n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 104 Mřížky dB m i) uhlová disperze mnzky — = —- (co neivětší) K y dÁ cf-cos/? 1 úhlová disperze je minimální pro p —> 0 tj. pro paprsky málo odlišné od normály —> úhlová vzdálenost dvou svazků konstantního AA je konstantní úhlová disperze mřížky nezávisí na vlnové délce rozdíly proti hranolu spektrum - mřížka - lineární spektrum pro (3 —> 0 - hranol - nelineární ^- = — dÁ d odchýlení A - mřížka - nejvíce dlouhé vlny (červená) - hranol - nejvíce krátké vlny (modrá) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 105 Mřížky 2) úhlová vzdálenost 2 sousedních spekter rri'A = ďs\na (spektrum řádu m, (3 = 0) (m+i)-A = d-(siná + sin/?) A d sin/? - úhlová vzdálenost A sin/? = — čím je mřížka hustší, tím je úhlová vzdálenost _Ú. dalšího řádu spektra větší. Max: (3 = 90° podmínka vzniku spektra alespoň 1. řádu: a = (3 = 90° - krajní případ: m. A = d(1+1)-> m^=2 prakticky a = 3 < 90° < 2 m-Á ~a- aby 1. řád byl celý, musí být alespoň spektrum 2. řádu ve směru roviny mřížky tj. a = (3 = 90° a pro m = 2 —► d = Á příklad: A = 800 nm -> d = 8.104 m -> 1250 vrypů/mm_ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 106 Mřížky 3) 4) úhlová šíře spektra aa, a2 m • aa = d • s i na 1 m < \ , í ■ ■ „\ r sina =—\a9-aa m-a2 = d-(s\na + s\n/3) J _d rozlišovací schopnost mřížky úhlová disperze aa R = Am Am-Ndcosß m d-cos/? A d cosß = Nm A R = — = N ■ m aa N = — 1 A m aa A + AA potřebný počet vrypů N pro dosažení určité rozlišovací schopnosti při určitém řádu spektra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 107 Mřížka + Spektrální přístroj N = 6 (celkový počet vrypů mřížky) N^ = 36 l=lr sin2-s sirr-A/-/ sin2 / s\r?{N-y) rozdělení int. světla v ohybovém obrazci = ohyb na štěrbině sin2 y rozdělení světla v interferenčním obrazci = interference svazků z jednotlivých štěrbin s in2 (/V-/) sin2 y výsledné rozdělení Y = — d(s\r\a + s\r\ß) Á s = —s(s\na + s\nß) Ä d - šířka vrypu v r vi v i v i ■ s - sirka štěrbiny S rostoucí N roste strmost hlavních max, jejich velikost« N2, sekundární max se stávají zanedbatelná. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 108 Typy mřížek D ROVINNÁ monochromátory: a) CZERNY-TURNER b) EBERT (jedno velké zrcadlo) reciproká lineární disperse monochromátoru s rovinnou mížkou a- p = 2/ = koňští p = arcsiri v 2cos/ + / J znaménka: (+) orientace mřížky ke vstupní štěrbině ((3 > a) orientace mřížky k výstupní štěrbině ((3 < a) dX COS/7 m-řádfektra n - počet vrypu/mm dl m - n-f f _ ohnisková vzdálenost zobraz, zrcadla prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 109 Mřížka rvtá v rovině (energie hlavně v 0-tém řádu) profilové vrypy ^>\)>%)>^ soustředění energie do určitého úhlu (odleskový úhel, BLAZE EFFECT) (p - úhel dopadu (p - úhel odrazu + a úhel maximální odrazivosti je x¥ = 2a + g? x¥-a = a + (p proÁB LITTROWOVA KONFIGURACE 2s\r(

fluorescence, fosforescence □ chemicky chemiluminiscence □ teplem termoluminiscence □ zvukem sonoluminiscence □ mechanicky mechanoluminiscence tonik - obsahuje chinin světluška fluorescenční barviva, uprostřed roztok chininsulfátu bankovky - ochranné fluorescenční prvky Noctiluca scintillans prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 113 Fluorescenční spektroskopie emise UV, VIS záření při přechodu z vibrační hladiny v = 0 excitovaného singletového stavu Si do různých vibračních hladin základního stavu S0 beze změny multiplicity: singlet —> singlet ■ Si -> S0 azulen S2 -> S0 ■ fluorescenční spektrum (Amax, tvar pásů) nezávisí na vlnové délce budicího záření (to však musí mít určitou minimální energii) EXCITACE (ABSORPCE): S0, v = 0 v = 0,1,2,3,4,... FLUORESCENCE (EMISE): S1f v = 0 S0, v = 0,1,2,3,4,... □□t 1) 2) fluorescenční spektrum je dlouhovlnnější než exctitační přechody (S0 v = 0 ->■ v = 0) a (S, v = 0 ->■ S0 v = 0) (tj. přechody 0 —> 0) mají teoreticky stejnou Á prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 114 Fluorescenční spektroskopie platí FRANCK-CONDONŮV princip -fluoresc. přechod proběhne při zachování mezijaderné vzdálenosti - ta se změní dodatečně. —> nejpravděpodobnější takový přechod, kdy max. překryv vlnových funkcí: vln. fce excit. stavu S1 při v = 0 s vln. funkcí zákl. stavu S0 —> nejintenzivnější vibrační pás log e vibrační struktura Absorpčního spektra « vib. podhladinám excit. stavu *r- v. cm' Fluorescenčního spektra « vib. podhladinám zákl. stavu ZRCADLOVÉ SYMETRICKÉ PASY A F podobné 1) vibrační podhladiny stavů S0 a S1 2) podobná geometrie stavů S0 a S1 -> AF (0-0) > AA (0-0); AF bathochromní posun: interakce molekul a látky s molekulami rozpouštědla: interakce dipól - dipól, vodíková vazba —> stabilizace více EXCITOVANÉHO STAVU - polárnější než stav základní prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 115 Franck-Condonův princip ■ v okamžiku vybuzení má molekula v excit. stavu stejnou strukturu okolí jako ve stavu základním, tato struktura má vyšší energii než rovnovážné uspořádání, do kterého molekula přejde dodatečně z rovnovážného uspořádání dochází k fluorescenci —> při fluorescenci je vlivem rozpouštědla AE mezi Si a S0 menší než při absorpci AF(0-0) > AA(0-0) vibrační relaxace prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 116 Stokesův posun ■ fluorescenční spektrum je posunuto k delším vlnovým délkám než původní absorpční spektrum a je k němu zrcadlově symetrické ■ rozdíl vlnových délek absorpčního (excitačního) a emisního maxima ■ emitované záření má větší vlnovou délku a tudíž nižší energii Stokesův posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 117 Doba života fluorescence t p - doba vyhasínání excitovaného stavu 1 F ~ 2> k, - rychlostní konstanty relaxačních procesů (fluoreso, vnitř, konverze, mezisyst. přechod, zhášení, fotochem. reakce ...) kF «fmn (síla oscilátoru) « 8max, tof - skutečná doba trvání fluorescence: 1CT4 tof — in ~max isc ISC 1fe = 0.37 tF = doba života fluorescence tf= 1 -100 ns = doba života fosforescence Tp = 1 m s - dny » xF protože přechody Tripl et-S i nglet jsou spi nové za Kázány prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 118 Kvantový výtěžek fluorescence 0F = 0,0001 -1 poměr mezi počtem emitovaných a absorbovaných kvant (podíl el., které se vracejí do S0 s vyzářením fotonu) 'a" 'o " 't Intensita fluorescence _ lf i nt ensita absorpce la prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 119 Intenzita fluorescence je úměrná kvantovému výtěžku a absorbovanému toku záření lF = k ■ 0F ■ fo, - «0 = k ■ F -0O ■ [1 -10•'c ] □ □ 0O - dopadající tok, f,o log -1 = -10e/c / 'f,0 lFn-lF = 8-1 c - linearizace lF = f (c) □ rozvoj v řádu lF =0'(f)F 'k' 1 -1 + 2,303g -I-C- (-2,303g-/-c)2 | (-2,303g I c) 2! 3! =>/F — 2,303' k • s' I' c' (f)F ' (f)^ pro A < 0,02 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 120 Intenzita fluorescence i) zhášení fluorescence □ molekuly akceptoru, který odnímá energii excitované molekule □ akceptor může mít vlastní fluorescenci zhášení - jeho pravděpodobnost roste s dobou tf □ kyslík ( odstranění z rozpouštědla probubláváním inert. plynu) □ skupina C=0 (i v rozpouštědlech) □ ionty: stupeň zhášení roste s polárizovatelností a deformabilitou iontů (zhášejících), tj. s rostoucí kovalent. charakt. ■ anionty: P < N03" < S042" < ac < (COO)2" < Cľ < Br < SCN" < ľ ■ kationty: Cu2+, Ni2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+ (vakantní d-orb.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 121 Intenzita fluorescence 2) samozhášení fluorescence a) koncentrační zhášení (VAVILOV) (j)F = 2,303 • 0F>O • 10~k'{c~Co) => nelineariä pokles kvantového výtěžku od prahové hodnoty c0 lF = 2,303 • k • 0O • 0F 0 • (j -1 (Tg; c) -1Q-*^) b) vnitřní konverze molekul disipace energie na nezářivé formy, roste s rostoucí teplotou, závisí na viskozite roztoku a koncentraci c) vnitřní filtrační efekt budící záření zeslabení lF částečnou reabsorpcí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 122 Fluorescenční spektroskopie ■ fluorescenční spektrum □ excitační lF = f (Aex), měří se při konst. Aem □ emisní lF = f (Aem), Aex = konst. budící záření □ excitační spektrum je totožné s absorpčním □ platí pro čistou látku - je to kritérium čistoty □ trojrozměrné diagramy lF = f (Aem, Aex) 1000 ■ EH 450 nm 500 - ■ Excitation - Blue - i—i—i—i—i—i—i—i—i—■—r—i—t—r—i-1—i—i—i 250 300 350 io oo n EX 250 nm 500 Fluorescence | i i i i íl j p i i i- i p i 11 j i i 11 i 400 500 600 700 EH (nm) 400 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 123 Fluorescence a chemická struktura předpoklad: přítomnost systému snadno delokalizovatelných elektronů -konjugovaného systému tt-elektronů KVANTOVĚ CHEMICKÉ VÝPOČTY, EMPIRICKÁ PRAVIDLA ■ EMPIRICKÁ PRAVIDLA PRO FLUORESCENCI 1) není-li silná absorpce < 250 nm —> není fluorescence 2) jestliže nejdlouhovlnnějsí abs. pás > 250 nm a odpovídá tt —> tt* molekula fluoreskuje (zpravidla několik kondenzovaných jader 3) jestliže nejdlouhovlnnějsí pás absorpční « n —> tt* —> velmi slabá fluorescence, neboť malá přechodová pravděpodobnost, naopak ISC —> T1 —> FOSFORESCENCE (aromatické aldehydy, ketony, karbonové kyseliny) čím je větší emax nejdlouhovlnnějšího abs. pásu tt —> tt* S0 —> S1 a čím je tento pás více posunut k delším A, tím větší lF prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 124 Empirická pravidla pro fluorescenci nejčastější příklady: polykondenzované aromatické uhlovodíky □ s počtem kondenzovaných jader {§) roste konjugovaný systém —> BATHOPCHROMNÍ A HYPERCHROMNÍ POSUN emisního f. spektra □ ANELACE <§> jader LINEÁRNÍ anthracen Amax = 379 nm ANGULÁRNÍ fenanthren Amax = 347 nm ■ zvětšení konjugace 1) SUBSTITUCE ARYLEM prohloubení konjugace a zvýšení fluorescence x sterické bránění 2) STABILIZACE KOPLANÁRNÍ POLOHY<§) vazbou nebo můstkem □IFENYLAMIN KARBAZOL prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 125 Empirická pravidla pro fluorescenci 5) substituce ®> substituenty, které poskytují elektrony ke konjugaci s TT-el. systémem BATHOCHROMNÍ A HYPERCHROMNÍ POSUN potlačení vibrační struktury □ také indukční efekt pořadí vlivu: CR3 < CH3 < SR < SH < NH2 < OR < OH KUMARIN 7-hydroxyku marin (UMBRLLIFERON) =0,0001 ;0,5 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 126 Vlivy vnejsi a) vliv pH - excit. stav může mít jinou kyselost než zákl. b) vliv fixace polohy - součástí molekuly tvorbou chelátů, molekula sama nefluoreskuje, ale fluoresk. chelát: zabrání se volné otáčivosti kationty s 2, 8 a 18 elektrony ve vnější slupce □ Be2+, Mg2+, Zn2+, Al3+, Sc3+, Ga3+ □ azolátky, azomethinová barviva ... analytické využití c) vliv rozpouštědel - halogenovaná rozpouštědla (CH2CI2, CHCI3) a rozp. s karbonyl. sk. (aceton) —> snižování a zhášení fluorescence polarita (permitivita) rozpouštědel —► energetické změny stavů S n tt*, S tt tt* - i změna jejich pořadí —► nefluoreskuje v nepolárním a fluoreskuje v polárním CHINOLIN » ne v hexanu, fluoresk. v C2H5OH prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 127 Instrumentace pro fluorescenční spektroskopii fluorimetry spekrální fluorimetry - měření spekter □ excitačních □ fluorescenčních Vz - vzorek Z - zdroj 'wCexc) Aitern) /í\350 nm /J\460 nm monochromátor Q,m- monochromátor F -fotonásobič fotonka, f. článek zdroj vzorek procházejíc záření em. monocliiromátor detektor měří se v kolmém směru k excitačnímu záření prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 128 Instrumentace pro fluorescenční spektroskopii ■ zdroj □ UV « D2 nebo Xe výbojka, Hg výb. - čárové sp. □ VIS »W lampa □ laditelné barvivové lasery excitační spektrum ovlivněno emisní spekt. charakt. Xe lampy ■ disperzní prvky □ interferenční filtry □ skleněné filtry (měří pouze intenzitu záření, nikoli spektra) □ sady excitačních a emisních interf. filtrů □ mřížkový monochromátor pro fluorescenční záření □ 2 mřížkové monochromátory pro excit. i fluorescenční záření ■ detektory □ PMT (FN) - má vlastní spekt. charakteristiku emisní spektrum ovlivněno proměnlivou citlivostí detektoru s vlnovou délkou jednoduché fluorimetry prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 129 Korigovaná spektra korekce emisního spektra ocejchováním fotonásobiče na fluorescenční standard: CHININ BISULFÁT (tabel, hodnoty) ■ korekce excitačního spektra na spektrálni charakteristiky Xe lampy s použitím referenčního fotonásobiče s plochou sp. odezvou —> vstupní štěrbina proměnlivé šířky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 130 Metodika měření F - relativní veličina pevné fluorescenční standardy nebo roztoky - nastavení výchylky na 100 (maximum) např. na nejkonc. standard □ bisulfát chininu, fluoresceinan Na, rhodamin B postup: □ excitační spektrum - se registruje při pokusném nastavení A(em) » A(em)max změnou A excitačního monochromátoru s nalezeným A(ex)max se registruje □ emisní (fluoresc.) spektrum - změna Aem emisního monochromátoru —> nalezení A(em)max □ celý postup se opakuje: A(em)max1 A(ex)max1 do dosažení konst. polohy A(em)max2 <- A(ex)max1 0 = 0,51 v 0,5 M H2S04 BISULFÁT CHININU A(ex)max = 355 nm \em)max = 445 nm modrá časově stálá fluorescence prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometne 131 Stanovení kvantového výtěžku fluorescence (CHBS - Standard) (j)x = vem ~ ^EM > ^EXC (STOKES) =^> ^G < ^ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 139 Příklady metod 2) Fluorimetrická indikace ekvivalenčního bodu při EDTA titraci stanovení Ca2+, Sr2+, Ba2+ v přítomnosti fluorexonu při pH = 12, fluoreskují cheláty indikátoru 3) Fluorescenční acidobazické indikátory a-naftalamin pH 3,4-4,8, kys.f.(-) —> alk.f. fialová chininbisulfát pH 3,0-5,0, kys.f. modrá —> alk.f. fialová akridin pH 4,8-6,6, kys.f.zelená —> alk.f. modrá prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 140 Příklady metod 4) Redukční fluorescence některé ionty přechod, prvků po redukci NH2OH nebo amalg Zn (Cu+, Fe2+, V2+) redukují aromatické karbonové kyseliny (kys. ftalová, benzoová, 1,3-benzendikarbonová) na radikál —> peroxokyselina (modrá f.) stanovení paramagnetických iontů 5) Oxidační fluorescence Hg2+ oxiduje Thiomin (pH = 7-8) —> Thiochrom (fluor.) 6) Stanovení organických sloučenin xanthenové deriváty (fluorescein, rhodamin) porfyrin, alkaloidy, hormody, vitamíny, anthracen, fenanthren, salicylan, acetylsalicylová kyselina ... prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 141 Kvazičarová molekulová fluorescence nízké teploty (77 K, 10-15 K) - jemná struktura emisních (fluorescenčních) maxim na pozadí emisního pásu ■ aromáty, polykondenzáty měření ve ztuženém stavu rozpouštědel (N-alkany) šířka maxim 10 cm1, měří se: (efekt Spolského) naftalen benzpyren, antracén v N-pentanu v N-heptanu v N-nonanu v N-hexanu v N-oktanu naftacen pyren koronen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 142 Kvazičarová molekulová fluorescence (efekt Špolského) ■ Polykondenzované kancerogenní uhlovodíky □ CD = 1011 g org. sloučeniny □ experimentální uspořádání: excitační zdroj: laser dispersní záření: mřížkové monochromátory kyveta: 0 3 mm křemenná trubička (do Dewar. nádoby) □ vhodné jako detekce k separačním metodám: - TLC, GC, HPLC prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 143 Fluorescence v pevné fázi a) TAVENINY intenzivní zelenožlutá fluorescence U022+ v taveninách 30% NaF + 70% (Na-K)C03; 98% NaF + 2% LiF; 10% NaF + 45% K2C03; roztavená směs se zahřívá 10 minut při 650°C a nechá se pomalu vychladnout □ excitace 300 nm, emise 538, 555, 576, 601 nm □ CD = 10~8 g U v 50 mg taveniny, ruší některé kovy □ geologie, biologické tekutiny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 144 Fluorescence v pevné fázi b) nosíce polovodičového typu v prítomnosti stopových aktivátorů (ionty přechodných prvků) vznik luminiscence po vpravení malého množství analytu jako aktivátoru do nosiče polovodičového typu a po jeho vyžíhání při zvýšené nebo vysoké teplotě □ nosiče: CaO, CaS04, NaF, Na2B407, BaS04, CaC03 příklad: vyžíhaný rozetřený CaO s malým množstvím H20, pokropen roztokem vzorku, po excitaci UV —> emise žlutozelená pro Sbm modrofialová pro Bim, po vyžíhání na 900°C □ aktivátory (analyty): TI, Sn, Sb, Bi, lanthanoidy např. vanadát Ca aktivovaný po 60 min žíhání při 1000°C lantanoidy —> emise: červenooranžová - Sm, Eu žlutá - Dy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 145 b) Nosiče polovodičového typu v přítomnosti stopových aktivátorů ■ výklad jevu: aktivátor v polovodičovém nosiči umožní lokalizaci energetických hladin v zakázaném pásmu ■ luminiscenční centra (L) - donory elektronů ■ metastabilní hladiny (M) - akceptory elektronů □ při excitaci el. z valenčního do vodivostního pásu (UV zář.) zůstává kladná díra ve val. pásmu, která postupuje vzhůru a přitom rekombinuje s elektronem z (L) v zakázaném pásmu □ tím umožní fluorescenci, tj. přechod původního elektronu z vodivostního pásmu do (L) □ jestliže přejde elektron do (M), pak umožní fosforescenci při zpětním přechodu přes vodivotní pásmo do (L) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 146 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie) emise UV-VIS záření při přechodu z nulové vibrační hladiny excitovaného tripletového stavu T1 do různých vibračních hladin základního singletového stavu S0 změna multiplicity - zakázaný přechod x spinorbitální interakce —> každá vln. funkce s určitým spinem získá složku jiné multiplicity —> singletové a tripletové stavy se smísí □ fluorescenční (ani fosforescenční) spektrum nezávisí na vlnové délce budícího záření □ fosforescenční spektrum posunuto k vyšším A (tripletové stavy mají nižší energii než singletové) □ fosfor, spektrum má vibrační strukturu (jako fluor.) □ doba života 10~6 s až 102 s —> velká pravděpodobnost ztráty energie nezářivým přechodem vnitřní konverzí srážkami s molekulami > nelze měřit při laboratorní teplotě fotochemickou reakcí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 147 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie) ■ zhášení - paramagnetickými látkami (kyslík) —> je nutné roztoky dokonale odvzdušnit □ měření: při 77 K (kapalný N2) —> tuhý sklovitý průsvitný roztok, směs rozp.: (C2H5)20 : isopentan : EtOH 5:5 2 ■ instrumentace - fosforoskopy a fluorimetry s nástavcem □ vzorek v úzké křemenné kyvetě uložené v Dewarové nádobě (N2 kapalný) ■ využití dlouhého trvání fosforescence vzorek se střídavě excituje a pak emituje: □ becquerelův fosforimetr - mechanický rotující přerušovač « 1000 ot/min kontinuální zdroj = vysokotlaká Hg lampa □ pulsní zdroj (Xe lampa) ps - pulsy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 148 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie) APLIKACE □ alkaloidy, pesticidy, léčiva, aminokyseliny, proteiny □ kinetika: 1. řádu: Ft = F0 exp Í--1 q - střední doba trvání dosvitu (fosforescence) q = t při Ft = F0/e □ závislost na době ozařování: F=F max 1-exp Í--1 □ fosforescence směsi analytů-metoda časového rozlišení F, = F0 exp \ 1J 7=1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 149 Infračervená spektroskopie absorpce elmagnetického záření: 12 500 - 100 cnr1 změny vibračních, rotačně-vibračních a rotačních stavů IČ (IR) □ blízká 12 500-5 000 cnr1 □ střední 5 000 - 500 cnr1 □ vzdálená 500 - 100 cnr1 Atomy Molekuly facJiny vitirafní Hladiny i reaxace íiuůfríceňce čára pás čárové apekífuffl pásové spektrum prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 150 Infračervená spektroskopie D VIBRACE MOLEKUL 100 - 4 000 cm lineární harmonický oscilátor F = -k • w pohyb, rovnice x = x0 cos(2^vř + cp) cp - fáz. posun - počat. vých. v t = 0 ďx II. Newtonův zákon F = m dif. rce: m ďx dř dť = -kw 1 v 2.71 \— řešení dif. rce A7? pro vlnočet 2-atom. mol. v - lne V k_ M /771 + m2 v - frekvence t - čas x - výchylka F - síla m - hmotnost redukovaná hmotnost prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 151 Vibrace molekul Potenciální energie E =-kw2 = 2tt2 -M-v-w' p 2 □ klasická mechanika - libovolné změny □ kvantová mechanika - diskrétní hodnot energie □ celistvé násobky h. v □ možné hodnoty energie oscilátoru dány Schródinger. rcí - vibrační stavy - vibrační kvantové číslo v _ . ( 1A ^ = 0,1,2,3, E=hv v + — 2 □ energie 2-atomové molekuly ze Schrödingerovy rovnice h E = 2n f I'! 1 — • v + — v 2) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 152 Vibrace molekul vibrační vlnová funkce - vln. funkce liner, harm, oscilátoru y/v=Nv exp ŕ y2\ i Nv - vibrační konstanta (závisí na v) y = x • • (k • M)% Hermitův polynom Hv(y) H0=1 Hv(y) závisí na hodnotě v: v = 0 v = 1 H1 = 2y v = 2 H2 = 4y2 - 2 v = 3 H3 = 8y3-12 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 153 Vibrace molekul vibrační kvant, číslo = počet uzlů vln. funkce (body, v nichž ^v mění své znaménko) v = 0 i//„dx = y/v • y/2 * dx pravděpodobnost nalezení molekuly ve vzdálenosti (v intervalu) (x; x+dx) klasický oscilátor čím vyšší v, tím větší přiblížení klasické a kvantové mechaniky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 154 Vibrace molekul prostorové rozdělení pravděpodobnostní vlnové funkce pro jednotlivé vibrační hladiny + velikost překryvu funkcí v zákl. a excit. stavu —> kvantově mechan. výpočty pravděpodobnosti přechodu mezi různými vib. hladinami těchto stavů —> předpověď tvaru absorpčních i emisních (fluorescenčních) pásů HARMONICKÝ pot Harmonický Anharmonický v r ~ f 4 Y j3 E potl V 7/0 'pot -\Fdx = -k)č E=hv ANHARMONICKÝ v + — 2 -h-v{zt J - x + X — Ao —ŕ -x +x disociace konečné rozměry konstanta anharmonicity fundament, normální v f = v h(}-Za) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 155 Vibrace molekul ■ harmonický oscilátor □ výběrové pravidlo Av = +1 při absorpci za normální teploty v = 0 □ fundamentální vibrace ■ anharmonický oscilátor □ Av = ± 1, ± 2, ± 3, ... vyšší harmonie, overtone Av > 1 - větší excit. energie: Av = 2; E2 = 2E1; Av = 3; E3 = 3E1 ... —> absorpční pásy vyšších harmonických vibrací jsou posunuty k vyšším vlnočtům (kratším vln. délkám) NIR, v > 5 000 cm1 □ intenzita absorpce klesá o 1 až 2 řády s přechodem od zákl. vibrace k vyšším harmonickým prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 156 Vibrace molekul vibrace probíhají v prostoru x, y, z □ rovina xy « LISSAJAVSOVY OBRAZCE □ silové konstanty kx, ky, kz —> různé frekvence každé ze 3 fundamentálních vibrací N-atomové molekuly lineární nelineární stupeň volnosti: 3N-5 3N-6 □ počet stupňů volnosti určuje počet zákl. vibrací 9=0 ■ výpočty frekvencí vibrací - teoretické předpovědi □ vstupní data: 1) hmotnosti atomů 2) valenční úhly 3) délky vazeb _4) silové konstanty_ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 157 Vibrace molekul energie a frekvence vibrací omezeny řešením Schródingerovy rovnice při harmonickém pohybu (model) lze považovat E vibrací N-atomové molekuly pro jednotlivé stupně volnosti za navzájem nezávislé n n í -t\ celková vibrační energie E = ^E, =^V, vt + - /=i /=i v 2) n = 3N - 5 (lin. mol) n = 3N - 6 (nelin. mol) teoreticky zajímavé, praktická analýza - empirické souvislosti s počtem atomů roste počet abs. pásů - složitá spektra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 158 Infračervená spektroskopie 2) ROTACE MOLEKUL 100 - 10 cm 1 rotační hladiny, rotační spektra ■ /. ™^^Py i /■ i s i ? m tuhý rotor, (rotator) - vzdálenost r se nemení 1 ,ri ; r2 □ klasická mechanika * ŕ moment setrvačnosti I = mr2 i, vzhledem k y; Jy = 0 lx = ly = m,^+m2rj 2) vzhledem k x, z; Jx = Jz-- platí: r, - 2 /771 + A7?2 .2 , _ _2 2 pak _/ = —^-^—^-r =—-—— -r =Mr M - redukovaná hmotnost (m1+m2) m1+m2 Steinerová věta - aplikace: moment setrvačnosti lze vyjádřit pomocí jediného hm. bodu M ve vzdálenosti r od počátku souřadnic, kolem nějž se rotace pak uvažuje prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 159 Rotace molekul vlnová mechanika - rotační pohyb popsán vlnovou funkcí Schródingerova rovnice —> hodnoty diskrétních energií tř /. A . J - rotační kvantové číslo I - moment setrvačnosti E, = 8tt'I (J + 1)J pro tuhý 2-atomový rotor úprava: 1 h -•(j+i)-j = e-(j+i)-j hc hc S7r2-c B - rotační konstanta (charakteristická pro každou molekulu) spektroskopické termy: ~ ( EA ( E^ v = v h c V = ß-(j2+l)-J2-ß-(j1+l)-J1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 160 Rotace molekul VÝBĚROVÉ PRAVIDLO: AJ = J2-J1=±1 —> vlnočet abs. nebo emit. záření v = 2B (J+1) □ E roste s J kvadraticky □ v roste s J lineárně AE roste lineárně Av je konstantní J = 0, 1,2,3 í h2 ^ Qtt2I v = 2B (J+1) (j+i)-J AE Er ■n-1 2nB h-c h-c Av =2B = konst platí pro TUHÝ rotor reálně: k roste s J (vyšší E, rychlost) —► větší I —► menší B relativní intenzity linií závisí na teplotě dle Boltzmannova vztahu ^2 9z N, 9, exp v AE, kT j h-c J = 4 AE 2-4-B h-c J =3 AE 2-3-B J = 2 h-c AE 2-2-B J = 1 h-c J = 0 2 B AV 8 B 6 B 4 B 2 B 0 —*-1 1-*2 2^3 3^4 2 B Av (cm-1) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 161 Rotace molekul štěpení rotačních hladin v důsledku: □ interakce momentů hybnosti atomů s celkovým momentem hybnosti molekuly □ interakce s jadernými spiny □ interakce s vnějším el. a mag. polem —> jemná struktura rotačních čar ■ nelineární molekuly - nižší symetrie —> energie rotací kolem 3 prostorových os se vzájemně liší —> další kvantové číslo K ■ výběrová pravidla pro nelineární molekuly AJ = 0; AJ = ± 1; AK = 0 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 162 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně - vibrační spektra ■ současná změna rotačních i vibračních stavů molekuly ■ vibrační přechod + řada přechodů rotačních ■ dvouatomová molekula = harmonický oscilátor + tuhý rotor h2 a a a h F = F 4- h =-- *- *-vib ^ '-rot 2^ ^ k f 1 M v v + — 2 + J 8tt2I J(J + 1) energie přechodu AE h AE = h-c-v = 2n ^•(^1-^0)+/7-ce-[j1(j1+i)-j0(j0+i)] AErot «AEvib prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 163 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně - vibrační spektra - VÝBĚROVÁ PRAVIDLA: □ AJ = ± 1 (lineární molekuly) □ AJ = 0, ± 1 (nelineární molekuly) □ lineární harmonický ose: v: 0 —► 1 (fundamentální vibrace) □ lineární anharmonický ose: v: 0 —► 2, 3, ... (overtony) vibrační přechod: absorpční pás s řadou rotačních linií J" 4 - —9— 2-*-I- -*-I-I-2 J' 4 3 2-1 0 -1 1-0 2-1 3-2 4-3 -* *- ; i 0-1 1-2 2-3 3-4 4 J' ■ 3 2 1 0 0-0 v = 0 1-1 2-2 3-3 4-4 AJ = - 1 P - větev nižší vlnočty v„ - v. AJ = + 1 P - větev vyšší vlnočty AJ = 0 Q - větev (nelineární mol.) v r r prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 164 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně - vibrační spektra čáry odpovídající přechodům mezi rotačními hladinami náležejícími dvěma různým vibračním stavům tvoří pás □ hlava pásu - band head prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 165 Rotačně-vibrační spektrum oxidu uhelnatého cm"1 v-> 2100 2200 rotační struktura je pozorována jen v plynné fázi rotační linie - rozšířené: □ srážky molekul □ skupenství kapalné 1 vymizení rotační pevné J struktury prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 166 Výběrová pravidla a intenzita absorpčních pásů v IR spektrech 1) Í^T"r 0 podmínka: nenulová změna dipólmomentu dx 1 = k\ — 1 intenzita pásu « pravděpodobnost interakce příslušné vibrace s elmag. zářením; x0 = rovnovážná poloha vysoká hodnota permanentního dipólu nepostačuje k vysoké intenzitě absorpce, naopak absorbují intenzivně i molekuly s malým dipólmomentem, je-li jeho změna velká, např. CO □ molekuly H2, N2, 02 ... dva stejné atomy —► dipólmoment = 0 a současně se také nemění —► neabsorbují □ víceatomové molekuly: absorbují intenzivně polární části tj. -NH25 -OH, -C=0, -C-F, -Si-O, atd vibrace nepolárních částí - uhlíkový skelet - málo intenzivní □ víceatomové symetrické nepolární molekuly CS2, CH4, CCI4, absorbují i když dipólmoment = 0 mohou probíhat vibrace, při nichž se oddělují těžiště + a - nábojů —► vznik a změna dipólmomentu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 167 Výběrová pravidla a intenzita absorpčních pásů v IR spektrech ■ intenzita absorpce - vyjádření □ transmitance T □ absorptance (1-T) > jako UV-VIS □ absorbance c - molární absorpční koeficient - nemá povahu konstanty závisí na: □ typu a kvalitě přístroje méně závisí na přístroji a □ šířce štěrbiny prac. podmínkách: □ ztrátě záření rozptylem INTEGROVANÁ ABSORPČNÍ □ pozadí spektra ^ ^ INTENZITA A = — -j\n^-dv =je-dv A-plocha pásu c' ^ v, $_v, c - koncentrace; I - délka kyvety □ udává se také pološířka Av1/2 = šířka pásu v polovině výšky, tj. při A=Amax/2 tabulky IR spekter - kvalitní vyjádření intenzity: s (strong) - silná; m (medium) - střední; w (weak) - slabá; vs (very strong); vw (vey weak) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 168 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul ■ vibrace □ valenční □ deformační - meni se vzdálenost mezi atomy - nemění se valenční úhly - nemění se vzdálenost mezi atomy - mění se valenční úhly vibrace □ fundamentální: 2,5-15 |jm r viditelná □ svrchní (vyšší harmonické) 2v, 3v .... blízká IR □ kombinační (součty a rozdíly zákl. vibrací) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 169 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul N atomů « 3N stupňů volnosti (souřadnice x, y, z) ■ translace x, y, z —> 3 stupně volnosti ■ rotace □ nelineární molekuly podle x, y, z —> 3 stupně volnosti □ lineární molekuly podle x, y 3 z —> 2 stupně volnosti —> nelineární molekula 3N - 6 J 3N - 5, 3N - 6 = počty fundamentálních frekvencí lineární molekula st. volnosti pro vibraci prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 170 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul LINEÁRNÍ MOLEKULA NELINEÁRNÍ MOLEKULA d \i v5 i 0 symetrické co2 dp H20 -—•—- • 0 neaktivní t 5 •- —^4—-—•- ■i- ^ ŕ 0 t ■A 0 5 •- -•- nůžkové vas ^ 0 antisymetrické ^ 0 nůžkové v - valenční vibrace - s symetrická stretching - as antisymetrická ^ ^ ^ ^ + + + 5 - deformační vibrace ^^^^ *NV/* ^^é^ nůžkové kolébavé kývavé kroutivé _scissoring rocking wagging twisting prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 171 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul frekvence základních vibrací molekuly XY2 (C02) (lineární) 2 _ _J_ aw + ai2 symetrická valenční vibrace Vl ~ 4;r' my vlv 1 mx + 2my _ v ň =----[au - a12 J~(vO asymetrická valenční vibrace 4;r m-mv * y 1_. ^(mx +^/7?y)'a33 deformační vibrace - degenerované 2 2 v3 = v4 = x y I - délka vazby X - Y (C-O) au - silová konstanta vazby X - Y a12 - vliv změny délky jedné vazby na sílu vazby druhé a33 - odpor molekuly proti změně valenčního úhlu mx, my - hmotnosti atomů X a Y prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 172 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul n vibrací jediný abs. pás -^nx degenerované IR spektrum C02: 2 pásy: □ asymetrická valenční □ 2x degener. deformační vysoce symetrické molekuly - max. 3x degenerované symetrie molekuly a její vibrace □ aktivita vibrací v IR spektru, počet absorpčních pásů prvky symetrie bodové grupy symetrie □ rovina □ zrcadlová rovina □ osy s různou četností tabulka neredukovatelných reprezentací rotační 4 rotačně reflexní □ střed □ identita typy vibrací a jejich symetrie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 173 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul určitá seskupení atomů (funkční skupiny atd.) - dávají abs. pásy v úzkém rozmezí —> charakteristické pásy, char. frekvence, char. vibrace frekvence vibrace určité vazby se musí výrazně lišit od frekv. sousedních vazeb, jinak spřažení vibrací —> molekula kmitá jako celek ■ podmínky rozlišení 1) rozdíl hmotnosti atomů > 100 % 2) rozdíl silových konstant > 25 % příklad: X-X, X=X, X=X « 1 : 2 : 3 —> násobné vazby mají odlišné vibrace - příklad: C-H, N-H, O-H, S-H, C-CI, C-Br, C-l, C-S - příklad: C « O « N nelze C-N, C-0 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 174 Charakteristické vibrace frekvence rostou □ s klesající hmotností atomů, které se podílejí na vazbě v 1 V 2n j □ s rostoucí silovou konstantou vazby vazba CH, NH, OH trojná vazba dvojná vazba > 3700 cnr1 < 1500 cnr1 v (cm 1) 3700-2400 2400-1900 1900-1500 valenční vibrace oblast charakterist. frekvencí vyšší harmonické - valenční vibrace těžších atomů - deformační vibrace (nižší sil. konst. než val. vib.) - skeletální vibrace (vib. zbytku - skeletu) - kombinační (součty a rozdíly zákl. frekvencí) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 175 < 1500 crrr1 FINGERPRINTS oblast otisku prstu - vhodné pro identifikaci organických látek neexistují 2 molekuly (látky) se stejným spektrem harmonie ke V (X-H) -- 1000- deform. 5 {X-H) 1650 -1300 valenční vfX_Y) 3650-2500 - v [X-H) v[JĚY) V{X=Y) 2250-2100 1800-1550 charakteristické frekvence FINGER PRINT 3700- - 1500 _i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_ 4000 3500 3000 2500 2000 1800 1600 1200 800 v {cm1} prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 176 < 1500 cm1 FINGERPRINTS 3700 2400 1900 1500 (cm1) valenční valenční valenční deformační vibrace vibrace vibrace val. vib. těžších atomů C-H, O-H, CEC, C=C, C=0 skeletální N-H C=N C=N, N=N kombinační N=0 neidentifikovatelná oblast otisku prstu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 177 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace ■ rozmezí vlnočtů - vliv zbytku molekuly —> informace o konstituci molekuly ■ další vlivy □ skupenství a rozpouštědla □ vodíkové vazby □ hmotnosti atomů □ elektrické v. □ sterické v., pnutí kruhu, konformace □ vibrační interakce (vibrační spřažení) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 178 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace D VLIV SKUPENSTVÍ A ROZPOUŠTĚDLA tuhé kryst. látky: vzáj. interakce mezi polárními skup. sousedních molekul OMEZENÁ POHYBLIVOST nové abs. pásy, chybí jiné abs. pásy X kapalné a plynné skup. CHYBÍ ROTAČNÍ STRUKTURA taveniny, roztoky: větší pohyblivost než v tuhých látkách mezimolekulární interakce CHYBÍ ROTAČNÍ STRUKTURA skupenská změna: G —> L —> S potlačení rotační struktury zúžení absorpčních pásů posun abs. maxim ke kratším vlnočtům □ intermolek. působení dipólů —> snížení síly vazby —> sniž. E prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 179 1) Vliv skupenství a rozpouštědla příklad: v (C=0), G, v = 1742 cm1 v (C=0), L, v = 1718 cm1 □ polarita rozpouštědla roste □ v charakter, vibrace klesá (dipól-dipól. interakce, vodíková vazba) ACETON v (0=0) aceton prostředí 1728 cm1 1724 cm-1 1720 cm1 1717 cm1 cyklohexan CCI4 dioxan HCCI3 vliv rozpouštědla na / \ nepolární v. polární v. C-C C=0 malý O-H malý prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 180 1) Vliv skupenství a rozpouštědla POLÁRNÍ SKUPINY C=0, C=N, N=0, N02, S=0 -OH, -NH2, -NH, -SH ROZPOUŠTĚDLA proton-donorová tvoří střední a silné asociáty (CHCI3, CH3N02) pokles vmax, rozšíření pásů proton-akceptorová nedochází k asociaci (CH3CH2)20, C6H5N, THF vmax, stejné jako v CCI4 proton-donorová slabé asociáty pokles vmax proton-akceptorová silnější asociáty - roste šířka pásů, intenz., výraznější pokles vmax prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 181 1) Vliv skupenství a rozpouštědla □ výpočet v pásů valenčních vibrací polárních skupin ve slabě polárních rozpouštědlech □ KIRKWOOD-BAUER-MAGATOVA rovnice v -v wU_-Ti %> Vsi vlnočty maxim v plynné f. a v. A^^/ = KO roztQku V a 2^ + 1 ... 9 í \ Z PermitlVlta r0ZP" Av = K^£~^ + K^n2 ~1/ n index lomu rozp. 2^ + 1 2n +1 K, K15 K2 konst. závislé na rozpouštědle prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 182 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 2) VLIV VODÍKOVÉ VAZBY molekulární H-vazba —> oslabení původní vazby v proton-donor. skup. např. O-H, X-H —> pokles v valenční vibrace nejsilnější H-vazba - skupina -OH *volná skupina v = 3640 cm1 □ příklad: CH3-OH ^ 1 intermolekulární v.v. v = 3300 cm1 také rozšíření pásů asociovaných skupin « řada asociátů s různě silnými H-vazbami příklad: karbonové kyseliny - dimery —> široký pás -OH: 2400-3300 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 183 2) Vliv vodíkové vazby rozlišení intra- a intermolekulárních H-vazeb □ ředění roztoku —> poměr abs. pásů monomeru a asociátu □ intramolekulární v. KONSTANTNÍ □ intermolekulární v. —> ROSTE (rozpad asociátu) □ H-vazba —> pokles vmax v(C=0) akceptoru protonu cca jen 5-50 cm-1 □ u proton-donorové skupiny (X-H): deformační vibrace růst v při vzniku H-vazby prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 184 2) Vliv vodíkové vazby CßHnOH 0,01 M 0,1 M 0,5 M 2 M kyveta [mm) 5 0,5 0,125 0,03 pokles v v (O-H) s rostoucí koncentrací « pokles kone. monomeru; pokles signálu v (O-H) 3638 nárůst signálu di-, tri-, polymeru s rost. koncentrací a pokles v v (O-H) polymeru prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 185 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 3) VLIV HMOTNOSTI ATOMŮ změna vlnočtu při náhradě izotopem: největší při náhradě H za D □ v (OH) « v = 3600 cm-1 v (OD) « v = 2650 cm1 □ Cl, Br, I « snížení vlnočtu při substituci těžším X izotopové záměny O, N, C - méně výrazné příklad: valenční vibrace v (C=0) v diisopropylketonu využití: přiřazování charakt. frekvencí určitým skupinám na základě měření s izotopovými záměnami izotopy v (cm1) 12C = 160 13C = 160 12C = 180 1712 1675 1681 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 186 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 4) ELEKTRICKÉ VLIVY □ efekty: ■ mezomerní ■ konjugační ■ induktivní ■ elektrostatický a) mezomerní efekty + M —> zvýšení elektronové hustoty -» \ - M —> snížení / —► změna charakteru vazby —> změna silové konst. —► změna v príklad: acetofenon X p-aminoacetofenon v (C=0) * v = 1691 cm1 v (C=0) « v = 1677 cnr1 +M -> zvýšení polarizace C=0 vazby « zeslabení charakt. dvoj. vazby snížení silové konst. —► snížení vlnočtu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 187 4) Elektrické vlivy - m p-nitroacetofenon - snížení el. hustoty na benz. jádře —► snížení polarity vazby C=0 « posílení char. dvoj, vazby —► zvýšení silové konstanty —► v(C=0)«v = 1700 cm1 b) konjugační efekt konjugace roste —> dvojný charakter konjug. vazby klesá —► sil. konstanta klesá —► posun k nižším v aceton < acetofenon < benzofenon konjugace 1720 cm1 > 1691 cnr1 > 1650 cnr1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 188 4) Elektrické vlivy c) induktivní efekt H3C+ Q" c=o c=o H3C+ H3C/ + I podporuje polarizační -1 snižuje polarizaci vazby C=0 vazby C=0 (zeslabení v.) (zesílení v.) 1720 cm1 1806 cm1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 189 4) Elektrické vlivy d) elektrostatický efekt působení silně elektronegat. atomů a elektronodorních atomů ELEKTRICKÝM POLEM ä jako interakce polárních skupin s rozpouštědlem příklad: a-halogen ketony volná rotace kolem C-C vazby Br 1720 cm-1 \ / c—c /\ II H O r Br odpuzuje el. O prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 190 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 5) STERICKÉ VLIVY, pnutí kruhu, konformace 3-, 4-, 5- článkové cykly - změna valenčních úhlů ve srovnání s acyklickými systémy a 6- a více četnými cykly □ hybridizace sp3 endocyklické vaz. - více char. p exocyklické vaz. - více char. s větší podíl s —► zkrácení vazby —► zvýšení p —► prodloužení vazby —► snížení -> při poklesu počtu článků kruhu exo-vazby - vyšší v endo-vazby - nižší v sil. kons. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 191 5) Sterické vlivy □ příklad: v (C=0) v cykl. ketonech a v (C=C) v cykloalkenech cykloalekny v (C=C) cykl. ketony v (C=0) cyklohexen 1646 cyklohexanon 1718 ' cyklopenten 1611 cyklopentanon 1742 cyklobuten 1566 ' cyklobutanon 1784 využití: určování velikosti kruhu z infračerveného spektra □ konformační izoméry: ekvatoriální axiální vazby smršť, a roztah, kruhu —> větší E menší E —> nižší v využití: určování konstituce, např. steroidy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 192 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 6) VIBRAČNÍ INTERAKCE (VIBRAČNÍ SPŘAŽENÍ) □ podmínka charakteristické vibrace vazby - nezávislé vibrace na zbytku molekuly: 1) odlišné hmotnosti atomů od zbytku molekuly (C-H) 2) odlišná silová konstanta atomů od zbytku molekuly (C=C, C=0) spřažené vibrace: např. amid: v (C=0), ó (N-H), v (C-N) 0 3000 cm-1 CH3 5(CH3) -HC/ : 1365 + 1385 CH3 dublet dimethylu ö (CH2)n: 720 - 790 cm1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 195 Infračervená spektra organických sloučenin ■ alkeny □ valenční vibrace C-H: v (=CH2): 3080 cnr1 v (=CH-): 3020 cnr1 2975 cnr1 □ valenční vibrace C=C: v (C=C) nekonjug.: 1620 - 1680 cnr1 v (C=C) konjug. s arom. syst.: « 1625 cm1 v (C=C) konjug. s C=C, C=0: 1600 cm1 □ deformační vibrace C-H: Y (C-H), RCH=CH2: « 990 cm1 Y (C-H), RCH=CH2: «910 cm1 Y (C-H), RR'C=CH2: 890 cm1 Y (C-H), RCH=CHR' trans: 960 - 980 cm1 Y (C-H), RR'C=CHR cis: 675 - 730 cnr1 Y (C-H), RR'C=CHR": 800 - 840 cnr1 5 (CH): 1410- 1420 cnr1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 196 Infračervená spektra organických sloučenin ■ alkyny v(EC-H): «3300 cm1 v (CEC) R-CeC-H: 2100 - 2400 cnr1 v (CEC) RrC=C-R2: 2190 - 2260 cnr1 Y(EC-H): 600 - 700 cm"1 je-li více stejných atomů ze společného atomu (N-H v -NH2J -NH3j C-H v CH2, CH3j CH4) rezonance vibrací -vibrační spřažení —> vibrace skupiny jako celku: - ve fázi \ ^ D^sv - mimo fázi -T prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 197 Infračervená spektra organických sloučenin . symetrická vibrace H -ľ a H H § M asymetrická vibrace C ^ C s (CH3) as (CH3) 2872 cm-1 2953 cnr1 -CH3 ■ valenční vibrace H. M Hx M H H H. M V* \é N V II II s(CH2) as(CH2) s(NH2) as (NH2) 2850 cm-1 2930 cnr1 3400 cnr1 3500 cnr1 >CH, -NH, prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 198 Infračervená spektra organických sloučenin deformační vibrace nůžkové kolébavé kývavé kroutivé (scissoring) (rocking) (wagging) (twisting) a = konst. a = konst. a = konst. vazba v rovině uspořádaného okolí {Q) « ó (C-H) inplane mimorovinné okolí y (C-H) out of plane vibrační spřažení 2 dvojných vazeb: 1,3-butadien vas = 1630 cm1 vs = 1590 cm1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 199 Instrumentace IR spektroskopie dvoupaprskové přístroje s optickou kompenzací automatická registrace spektra hranolové nebo mřížkové monochromátory D Z- zdroj, C1 - cela se vzorkem, C2 - srovnávací (rozpoušť.), SZ - rotující sektorové zrcadlo - 10-12 Hz, Š1 - vstupní štěrbina, M - monochromátor, M15 M2 - zrcadla, Š2 - výstupní štěrbina, D - detektor, E - elektronika, SM - servomotor, H - hřebenová clona, R - zapisovač, MM - motor monochromátoru prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 200 Instrumentace IR spektroskopie přístroj pracuje v optické rovnováze monochromátor □ mřížky na odraz - lepší disperze a rozlišení než hranol rovinné konkávni □ Littrow (zrcadlo za hranolem) materiál hranolů: LiF 1800 cnr1, CaF21100 cnr1, NaCI 650 cm1, KBr 380 cnr1 C5Br 250 cnr1, Cal 2001 (klesá rozlišovací schopnost) zdroj - keramická tyčinka - globar (1500°C) SiC - Nernst. tyč REM oxidy detektory □ bolometr - odporový teploměr □ Golayova cela - pneumaticky, zrcadlo + fotočlánek □ termočlánek Nosník Odporové drahý Pro vedení jednoduchého bol o metru absorpční vrstva Pouzdře prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 201 Technika snímání spekter všechna skupenství 1) PLYNY (10 cm kyvety), páry těkavých kapalin, nastavení tlaku —> nastavení propustnosti (optimální), násobný průchod 2) KAPALINY - kyvety, 2 okénka tífk distanční kroužek W KRS,AgCI okénka NaCI, chráněné polymery distanční folie (kroužek Pb, AI, Ag 0,01-0,1 mm) také Au □ rozpouštědla: a) nesmí narušovat materiál okének b) nesmí reagovat se vzorkem c) musí mít dostatečnou propustnost ve zvoleném intervalu vlnočtů d) nesmí ovlivňovat spektra látek e) musí dobře rozpouštět vzorek nejlepší rozpouštědla: malá symetrická molekula « CCI4, CS2 —► malý počet absorpčních pásů spektra látek ve více rozpouštědlech prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 202 Technika snímání spekter koncentrace roztoků 5-10% při tloušťce 0,1 mm voda - narušuje okénka z halogenidů alkal. kovů, kyvety pro práci ve vodě: AgCI, BaF2, CaF2, slída H20 + D20 « 500 - 4000 cnr1 srovnávací roztok - čisté rozpouštědlo □ dvoupaprskový přístroj - absorpce < 30 % pro kvantitativní měření < 70 % pro kompenzaci 3) PEVNÉ LÁTKY x rozptyl záření na prach, částicích —> a) Nujová technika: suspenze vz. + parafin, olej (nujol) cca 5 mg vzorku, také hexachlorbutadien, 2 destičky z NaCI absorpce NUJOLU: 3030 - 2860 cnr1 (valenční vib.) CH 1460 + 1374 cnr1 (deformační vib.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 203 Technika snímání spekter b) Technika výlisků: 1-2 mg vzorku + KBr (spektr, čistá) cca 100-200 mg lisování za vakua - transparentní tableta, 500 MPa měření proti referenční tabletě KBr LISOVÁNÍ DEFORMACE x PŮVODNÍ STRUKTURA odstranění vlhkosti 300°C, infralampa c) Roztavené tuhé látky: vyhřívané kyvety, stanovení, analýza POLYMERŮ d) Reflexní technika: pasty, pěny, laky, lepidla (nelze rozpustit, lisovat, tavit) - ATR (Attenuated Total Reflection) /X úhel dopadu > mezní úhel TOTÁLNÍ ^^t^ REFLEXE = f (v) spektrum "T™™ yMx/ krystal vzorek - MIR (Multiple Internal Reflection) násobné odrazy vzorek prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 204 IR spektroskopie ■ kalibrace vlnočtů (pára H20, NH3, CH4, C02, polystyren, inden, HCI) 2) intenzit - definovaná změna intenzity paprsku tloušťky kyvety - měření vzdálenosti mezi interferenčními pásy při průchodu záření prázdnou kyvetou ■ vzdálená IR oblast (v < 200 cm1, A > 50 pm) vliv absorpce par H20 a C02 (sušení, evakuovaní) □ několik mřížek, malé vlnočty « malé rozlišení prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 205 Interferometrické spektrometry > než mřížkový přístroj o zrcadla: j Z1, Z5, Z6 - parabolické _iNz Z2- polopropustné <[/ Z3 - pohyblivé Z4 - fixní K - kyveta + vzorek - MICHELSONŮV INTERFEROMETR - fázový posun, dobrý poměr S/N spektrum = zářivá energie obou paprsků po interferenci v závislosti na poloze pohyblivého zrcadla FTS, FTIR spektrometry s Fourirovou transformací zdroj záření - vysokotlaká Hg výbojka detektor: Golayova cela, TGS = triglycinsulfátový pyroelektrický bolometr ■ kyveta: polyethylen, polypropylen lepší rozlišení ve spektru větší zářivá energie na detektoru _ z4 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 206 Vyhodnocování spekter, aplikace identifikace určování struktury kvantitativní stanovení organických látek IDENTIFIKACE - porovnání spekter, knihovny, výpoč. tech. pravidlo: je-li ve spektru čistého standardu více absorpčních pásů než ve vzorku, jedná se o RŮZNÉ LÁTKY identifikace se směsích je obtížná bez předchozího dělení „Spektrometrická neutralizace" - do srovnávací kyvety roztok se složkou ve vzorku již identifikovanou - pokusné nastavení koncentrace —> diferenční spektrum postupné zjednodušení spektra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 207 Vyhodnocování spekter, aplikace určování struktury - tabulky charakteristických frekvencí, určitá třída látek charakt. abs. pásy na několika místech ve spektru „finger print" - jen intenzivní pásy □ výrazně se projevují funkční skupiny a strukturní jedn.: , -C=C-, >C=C<, -C=0, -C=N, -N02, -NH2, -OH, - COH, -COOH, -CONH2 □ jemnější údaje: typ substituce na aromát, kruhu velikost kruhu v cykl. syst. koncové rozvětvení alkylu pravidlo: □ nepřítomnost pásu chasakt. vib. pro určitou strukturní jednotkou = důkaz nepřítomnosti této jednotky v molekule □ výskyt pásu char. vib. pro určitou strukturní jednotku v určité oblasti spektra -nutné prokázat dále prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 208 Intenzivní spektroskopie absorpční pás je charakterizován: □ vlnočtem □ intenzitou absorpce (A - integrovaná abs. intenzita) karboxylové sloučeniny určování čistoty látek □ pouze nečistoty s velmi intenzivními absorpčními pásy pravidlo: ze 2 vzorků čistší ten, který má méně absorpčních pásů prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 209 Kvantitativní analýza nízká stabilita vysoká hodnota nulové linie velké odchylky od Lambert-Beerova zákona závislost molárního abs. koeficientu na přístroji a podmínkách metoda kalibrační křivky separační metody: GC a LC (jednoduchá rozpouštědla) stanovení: v rozvětvení polymerů v koncových skupin studium: □ kinetiky reakcí □ konformací □ H-vazeb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 210 Ramanova spektroskopie ■ záření rozptýlené při průchodu zkoumanou látkou ■ Raman, Krishnan, Landsberg, Mandelštam ■ rozptyl □ na malých částečkách « Tyndalův □ na molekulách - Rayleighův (A se nemění) elastický rozptyl 99 % - Ramanův (A se změní) neelastický (kombinační) rozptyl 1 % ■ Ramanovo spektrum = intenzita rozptýleného záření« na vlnové délce vlnočtu ■ elastický rozptyl « pružná srážka fotonu s molekulou ■ neelastický rozptyl « nepružná srážka fotonu s molekulou: □ kinetická energie molekuly zachována —> mění se vnitřní energie molekuly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 211 Ramanova spektroskopie budící záření pro Ramanovu spektroskopii nepostačuje k excitaci elektronických přechodů —> pouze změny vibračních a rotačních stavů energie přechodů je kvantována —> je kvant, i výměna mezi fotonem a molekulou při neelastické srážce v = v0±Av Av= ^1 ^2 (Plaňek) v0 - frekvence budícího záření v - frekvence Ramanova záření Av - Ramanův posun E15 E2 - energie rotačně-vibračních nebo rotačních hladin prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 212 Podmínky vzniku Ramanova spektra teorie elektrodynamiky: pohyb molekuly spojený se změnou ELEKTRICKÉHO MOMENTU DIPÓLU vede k EMISI nebo ABSORPCI záření IR: □ elektrický dipólový moment: p = p0 + Po - el. moment dipólu v rovnovážné poloze x0 efektivní náboj p0 I - ir — prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 213 Podmínky vzniku Ramanova spektra □ světlo: Ě = Ě0 coš^jtvÍ) RAMAN E - intenzita elektric. pole v - frekvence záření □ indukovaný dipólový moment: pl = a-Ě ; o - polarizovatelnost a = a0 + . % x - výchylka vibrace x = x0 cos^jtvJ) pi=a-E = a0 + a (da\ dx -jRayleigh Rayleigh Éncos2;n/r = Raman Raman = a0 Ě0 COS 27rvt + — a'x0 Ě0 [cos 2n(y + v1 )t + COS 2niy - vA )t] —> molekula je zdrojem záření v,v + vvv-v^ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 214 Podmínky vzniku Ramanova spektra □ □ □ □ □ p, =á0 •Ě0cos2^Kř + -a'x0Ě0[cos2^-(v + v1)ř + cos2^-(v-v1)ř] 2 i Raman i podmínka . Rayleigh Raman Antistokes Stokes dx *0 Ramanovy linie jsou pozorovány mění-li se polarizovatelnost, *0 tj. je-li v dx J x=0 intenzita Ramanových linií je úměrná čtverci polarizovatelnosti /« a2 stokes Anti-stokes Ramanův posun Av spektrum = závislost intenzity Stokes. linií na stupnici Ramanových posunů budicí = základní linie (linie Rayleighova i v0 -Av Vr vQ + Av Ramanovo spektrum rozptylu) má vlnočet 0 CITT1 infračervevé vibrační spektrum « absorpce záření Ramanovo spektrum « deformace molekul, orbitalů rozptyl x fluorescence přechody současné postupně prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 215 Rayleighův rozptyl x Ramanův rozptyl E = 1 V E = 1 V Vibrační energeiické slávy Vibrační energelické slávy V = 3 V = 2 V = 1 E = 0 Rayleigho rozptyl E=h.va Vznik ksyleignovs rozptylu i Vřrfaeni A Budiči 1 energie 1 Vfcreínf 1 stavy 1 , l u V =2 V - 1 E = ff Stokes ova složka Ramanova rozptylu Eva, - ň . Yva, E1 =lt>(ve-if«J ěo - ft - t« Vznik Ramanova rozptyiu ve Stokesově oblasti antí-Stokesova složka Ramanova rozptylu Vznik Ramanova rozptyiu v anb-Stokesově oblasti prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 216 Podmínky vzniku Ramanova spektra STOKESOY LINIE - nižší vlnočet « Av - energie potřebná na vyvolání vibrace (shoda s vlnočtem abs. pásů) v0 - A v ANTI-STOKESOVY LINIE - vyšší vlnočet« Av - energie, kterou předá excitovná molekula (vibr. přechod) rozptylovému záření při přechodu do zákl. stavu v0+Av □ podstatně slabší zrcadlový obraz 1 intenzita Raman. spekter« ^7 (platí pro rozptyl obecně) poměr intenzit anti.stokesových a stokesových linií AS 's Lo Ív0+Av) e-ňr Vv0-Avy anti-stokesovy za normální teploty jen « 700 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 217 Výběrová pravidla i) intenzita IR čar x ídp" intenzita Raman. čar « příklad: symetrická a antisymetrická vibrace lineární molekuly Y - X symetrická vibrace molekuly s centrem symetrie minimum X dx L maximum polarizace x0 - amplituda vibrace vibrace aktivní v Ramanově spektru x dipólmoment celé molekuly se nemění v IR spektru je tato vib. linie zakázaná prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 218 Výběrová pravidla 2) antisymetrická vibrace -x„ 0 + x0 -> X v krajních bodech stejné stavy mol. orb. x mění se dipólmoment v IR spektru je tato linie dovolená v Ramanově spektru je zakázaná prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 219 Výběrová pravidla aktivita vibrací v Ramanově spektru (a v IR) souvisí tedy se symetrií molekul RAMAN « symetrické vibrace molekula se středem symetrie « alternativní zákaz Ramanova spektra « doplněk IR spektra příklad: CO, v v 'V as ' 2 © © © da Ram. dp IR 9*0 + 0 - 0 - 9*0 + 0 - 9*0 + 0 - 9*0 + intenzita Ramanových pásu (čar) « výška, plocha relativní vyjádření - standard CCI4 tzv. koeficient rozptylu pn prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 220 Plynné skupenství d rotační struktura vibračních pasu 2) čistě rotační ramanova spektra výběrová pravidla pro rotační přechody dovolené přechody RAMAN IR RAMAN = 3 větve rot. AJ = 0 Ä J = 0 0 = A J = + 2 A kratší AJ = ±2 A J = ± 1 Q = AJ = 0 S a A J = - 2 delší A v = 4 B prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 221 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii 1) 2) 3) 4) zdroj - laser, Hg vysokotlaká výbojka: 253,7; 365,0; 404,7; 435,8: 541,6 nm vzorek (kyveta) - křemenná monochromátor (často 2) detektor - fotonásobič (dříve fotografická deska) -3s — PLYNOVÝ LASER He-Ne (5:1) □ A = 632,8 nm 7S. T přechod |jm 2s2 -> 3p4 3,39 3s2 2p4 0,63 2s2 2p4 1,15 E(eV) t He-Ne nepružné srážky 139 um í I elektronové srážky i spontánní emise cliruze ke stěnám výbojky Helium Neon prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 222 Plynový laser He-Ne He - pomocný plyn □ srážková excitace elektrony - výboj v plynu excitace na hladiny metastabilní 21s a 23s (1 ms) □ přenos energie z He na Ne nepružnými srážkami atomů atomy He pak do základního stavu □ blízké excit. hladiny 3s2 a 2s2, které mají proti hladinám 3p4, 2p4 inverzní populaci ty mají krátkou dobu života 10~8s - rychle se vyprazdňují ba hladinu 1s spontánním zářením - Ne prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 223 Plynové lasery přednost plynového laseru - vysoká směrovost záření, neexistuje rozptyl v aktivním prostředí x pevné lasery plynové lasery He-Ne 632,8 nm 80 mW Ar+ 488,0 nm 1110 mW Ar+ 514,5 nm 1000 mW Kr+ 568,2 nm 240 mW Kr+ 647,1 nm 400 mW prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 224 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii ■ lasery □ pulsní —> 106 W; 10~8 s —> stimulovaná Ramanův efekt —> inverzní Ramanova spektra —> hyper-Raman. efekt —> kvantová chemie 1) abnormální intenzity 2) zakázané přechody □ kontinuální —> analýzy 1) chemická 2) strukturní ■ záření laseru: □ polarizované (měření depolarizačního faktoru) □ fokusovatelné na malou plochu (malé vzorky 0,05 ul) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 225 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii excitační jednotka: zdroj + vzorek + zrcadla kondenzor . Z1 p kyveta .^''W^JJ ? kondenzor Hg výbojka štěrbma nštěrbina Obj laser pomocí zrcadel Z15 Z2 □ zesílení záření - laseru - Ramanova J pevné vzorky □ transmisní měření laser—laser vzorek! I II s s lisované tablety prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 226 Mikrovlnná spektroskopie pouze rotační spektra pouze plynné látky, velké zředění absorpce VF mikrovlnného záření zdroj záření (oscilátor) vlnovod se vzorkem detektor elektronový zesilovač měřeni frekvence zapisovač kontrola frekvence zdroje a synchronizace s osciloskopem □ A (mm) 0,1-10 □ v (cm1) 100-1 □ v(GHz) 3000-30 □ E(eV) 0,01-10-4 osciloskop □ zdroj: vysokofrekvenční oscilátor (klystron) - emituje záření monochromatické —► odpadá monochromátor, je laditelnv □ vedení záření: dutý vlnovod obdélník, průřezu (1=2-10 m) současně slouží jako kyveta se vzorkem □ detektor: Si nebo Ge detektor □ osciloskop: horizontální vychylovací destičky « zesílený signál z detektoru vertikální vychylovací destičky ~ časový signál synchronizovaný s frekvencí Klystronu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 227 Mikrovlnná spektroskopie vysoká přesnost nastavení frekvence (104 %) vysoké rozlišení (105 x vyšší než u IR spektroskopie) - vkládání el. napětí na kyvetu (2000 V) STÁRKŮV EFEKT = štěpení rotačních linií —> měření dipólmomentů ■ využití: □ kvantitativní analýza: molekula rotuje jako celek —► A, v, v rotačních linií je charakteristická pro d. látku; vysoké rozlišení —► identifikace neznámé látky (spektra standardních látek, analýza směsí) □ rozlišení molekul s různými izotopy (35CI, 37CI) □ měření dipólmomentů Stárkovým efektem (t 1% přesnost) □ určení momentu setrvačnosti molekuly —► urč. mezijaderných vzdáleností (až ± 0,2 pm = přesnost) a vazebných úhlů □ rozlišení rotačních izomerů a studium konformace ■ podmínky: □ plynné skupenství □ permanentí dipólový moment (změna dipólm. při rotaci = výběrové pravidlo) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 228 Magnetická rezonanční spektroskopie absorpce záření z radiofrekvenční, resp. mikrovlnné oblasti spektra vzorkem ve vnějším silném homogenním magnetickém poli vybuzení - jader - elektronů do vyšších energetických stavů, které se liší od nižších stavů ORIENTACÍ SPINU 1) Jaderná (nukleární) magnetická rezonanční spektroskopie (NMR) 2) Elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie (EPR, ESR = Elektron spinová rezonanční spektroskopie) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 229 NMR spektroskopie D podstata nmr spektra využívá se magnetických vlastností jader atomů rotace jádra je charakterizována momentem hybnosti ps (spin, spinový moment hybnosti) _Zn_ I - jaderné spinové kvantové číslo, které závisí na počtu neutronů a protonů v jádře a jejich kombinací □ I ~ (0 —> 6), násobky V2 nebo nula 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, 3, 7/2, 4, 9/2, 5, 11/2, 6 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 230 1) Podstata NMR spektra pravidla (A = Z + N) 1) A = sudé, Z = sudé —> I = 0; ps= 0; nemagnetickej. nelze měřit NMR spektra 2) A = liché I = 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2, 11/2 jsou magnetická 3) A = sudé, Z = liché —> I = 1, (2), 3, (4, 5), 6 jsou magnetická I = Ví. 1H, 13C, 15N, 19F,31P kulově symetrické rozlož, nábojů I > 1: nesymetricky rozlož, náboje —> elektrický kvadrupólový moment ps je mechanický moment rotace elektricky nabité částice —> magnetické pole —> magnetický moment □ MAGNETICKÝ MOMENT JÁDRA M = ľ-Ps Y = Gyromagnetický poměr - charakteristický pro jádro urč. izotopu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 231 1) Podstata N M R spektra ju ^ 0 pro 114 stálých izotopů většina z nich má I = lichý násobek V2 příklady: pouze 6 izotopů má I = celému číslu ^ 0: □ 1 = 1: 2H, 6Li, 14N □ I = 3: 10B, 105Eu □ I = 6: 50V izotopy 12C, 160,32S magnetický moment NEMAJÍ □ I = Vz\ 1H,13C, 15N, 19F, 31P □ I = 3/2:7Li, 11B, 35CI, 37CI, 79Br,81Br □ I = 5/2: 170, 27AI, 127l □ I = 7/2: 51V, 59Co I = 9/2: 93Nb, 209Bi m - hmotnost jádra e - náboj jádra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 232 1) Podstata N M R spektra v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole - nahodila orientace magnetických momentů jednotlivých jader aplikace statického magnetického pole: B0 precesní pohyb // Larmorova precesní frekvence coL = 2.71vL - y • B0 štěpení hladin energie □ □ □ B0=ľPs a (energie interakce) (- minus odpovídá cosS snížení energie při souhlasné orientaci jUz = jUCOSS pz = ps cos S 5 není libovolný, Em je kvantována fi - počet možných orientací je dán magnetickým kvantovým číslem m, m, nabývá hodnot v rozmezí - I, (-1 + 1), ... (I - 1), I, celkem (21 + 1) hodnot prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 233 1) Podstata N M R spektra (21 + 1) = počet možných orientací ju a počet hladin E štěpení hladin je analogické Zeemanovu efektu příklad: I = 1^; —> 2 hodnoty m,: m, = + m, = -1/4 1 = 1; —> 3 hodnoty m,: 1, 0, -1 pro: m, = + 1/4 (paralelní orientace fiza B0) je nižší hodnota Em1 = -y---B{ pro: m, = -1/4 (antiparalelní orientace^ a B0) je vyšší hodnota Em2 = +y---B( _4n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 234 1) Podstata N M R spektra výběrové pravidlo: Am, = ± 1 □ přechody mezi -1/4 a + 1/4 jsou přípustné □ přechody mezi -1 a 0, 0 a +1 jsou přípustné □ přechod mezi -1 a +1 není přípustný energie nutná k přechodu do stavu s vyšší magnetickou energií se získá absorpcí kvanta elmag. záření s energií rovnou energet. rozdílu mezi dvěma stavy pro l = fy^>h-v = AE=Em2-Enň =r~.B0 -^v = ^'Bo Y srovnáme s vL =--B0 -» v = vL 2.7T □ tj. jádro v magnetickém poli absorbuje elektromagnetické záření o přesně stejné frekvenci, jako je LARMOROVA frekvence precesního pohybu □ obě frekvence musí být v rezonanci prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 235 1) Podstata N M R spektra elektromagnetické záření - radiofrekvenční (vysokofrekvenční) magnetické pole B1 vektor magnetické indukce B1 kolmé na vektor B0 elmag. ind. stat. pole ■ —> nastává nukleární magnetická rezonance _i_i_i_i_i_i_i_ 4,3 9,2 15,1 19,2 24,3 56,4 60 B1 v (MHz) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 236 1) Podstata NMR spektra magnetické momenty jader v analyzované látce mají za normálních okolností chaoticky rozházené smery působením silného magnetického pole B se mag. momenty jader zorientují do směru vektoru B vysíláním vf elektromagnetického pole se tato zorientovaná jádra vychýlí ze smeru B, po vypnutí tohoto vf pole budou vychýlená jádra béhem své precesní rotace vysílat elektromag. signál vzorek H p *ŕ f hlavni cívka (elektro mag ne t) excitační vf impuls' excitace relaxace - NMR Xsignál prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 237 Magnetické vlastnosti jader atomů B0->1T IZOTOP PRÍRODNÍ ZASTOUPENÍ (%) I MAGNET. MOMENT (A.m2.1027) REZONANČNÍ FREKVENCE (MHz) REL CITLIVOST vztaž. na 1H 1H 99,99 Vi 14,11 42,58 1 2H 0,01 1 4,33 6,54 1,5.106 10B 18,83 3 9,09 4,58 11B 81,17 3/2 13,58 13,66 0,13 12Q 98,89 0 0 - - 13C 1,11 Vi 3,55 10,70 1,8.104 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 238 Měření NMR RF cívka magnet přijímač RF signálu !_| generátor plynulé zmény B0 v pólových nástavcích magnetu S, N - póly supravavodivého magnetu n. elektromagnetu Tb- Br póly supravodivého magnetu n. elektromagnetu « B0 se mění kolem rez. podmínky coL = y-BQ při konstantní frekvenci vL pole B1 při splnění podmínky rezonance je vzorkem absorbována energie oscilujícího magnet, pole B1 velikost absorpce se registruje jako změna napětí v další přijímací cívce kolmé na osu magnetu i na osu cívky s RF polem spektrum: signál = f (B0) [T] - v závislosti na čase prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 239 Měření NMR závislost rezonanční frekvence vR některých jader na indukci vnějšího mg. pole B0 Y - gyromagnetický poměr = směrnice —> v silnějších polích je třeba vyšších frekvencí —> lepší rozlišení v praxi se zpravidla neměří signály jader všech izotopů, ale jen jednoho -sledují se změny rezonanční frekvence daného jádra v závislosti na struktuře molekul, seskupení atomů... —> trendy výrobců k vyšším frekvencím pro měření 1H: MHz, v 40 60 80 100 220 T, B0 0,94 1,41 1,88 2,35 5,17 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 240 Měření NMR nízká energie kvantovaných stavů a přechodů mezi nimi energeticky chudé - RF oblasti rozdělení počtu jader mezi různé energ. hladiny BOLTZMANN ' AE^ absorpce v A4 =(h Wi flfi exp v kT J 01 exp r-h-Bc 2nkT laboratorní teplota - molekuly a atomy v základním stavu vibračním i elektronickém X jádra - přibližně stejný počet v základním i excitovaném stavu N1 N2 1000008 jader 1H v zákl. stavu « 1000000 1H v excit. stavu pravděpodobnost přechodu « B1 □ s rostoucí B1 klesá AN = N2 - N1 □ po překročení určité hodnoty B1 —► N2 = N1 = nasycení —►vymizení signálu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 241 Měření NMR dlouhá doba života excit. stavu —> úzké linie příčina: malá přechodová pravděpodobnost do zákl. stavu při vyzáření h.v HEISENBERGŮV PRINCIP teoretická pološířka = 0,0X Hz, praktická = 0,X Hz je limitována homogenitou magnetického pole B0 životnost = relaxační čas, nezářivé přechody do zákl. stavu = relaxační přechody D SPIN - MŘÍŽKOVÁ RELAXACE 2) SPIN - SPINOVÁ RELAXACE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 242 Spin - mřížková relaxace MŘÍŽKA = okolí pozorovaného jádra (atomy, molekuly) —> místní proměnlivá fluktuující magnetická pole (důsledek pohybu náboje) EXCITOVANÉ JÁDRO předává energii mřížce v případě, že „v" místního pole = LARMOVĚ frekvenci odevzdaná energie —> teplo doba trvání = spin-mřížkový relaxační čas T1 (v sekundách) □ převrácená hodnota rychlostní konstanty viskozita kapaliny (rozpouštědla) □ nízká —► T1 (sekundy) —► úzké čáry □ vysoká —► T1 (zkrácení) —► rozšíření čar prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 243 Spin - mřížková relaxace P AR AM AG N ETIC KÉ LÁTKY (nepárové elektrony), např. 02 - diradikálová molekula, pokles T1 □ evakuovaní vzorků ► odstranění 02 □ probublávání inertním plynem -další příčiny zkracování T^ □ interakce jad. spinu s jádry, která mají kvadrupólový moment (l> 1) 14N —► rozšíření linií 1H vázaných na 14N prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 244 Spin - spinová relaxace ■ jádro v excitovaném stavu předá energii jádru stejného druhu v základním stavu („vymění" si orientaci spinu), nemění se N1/N2, zkracuje se doba života excitovaného stavu ■ spin - spinový relaxační čas T2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 245 2) Chemický posun měření spekter NMR za podmínek, kdy rezonance a absorpce JEDNOHO DRUHU JADER - 1H-NMR 13C-NMR 19F-NMR spektra výhoda - neprojeví se signály jiných jader —> snadnější interpretace měníme podmínky v úzkém rozmezí □ 1H-NMR spektra « 100 MHz ± 1 kHz □ 19F-NMR spektra « 94,08 MHz rezonanční frekvence jader týchž izotopů se při stejných podmínkách měření liší podle typu sloučeniny (způsob vazby, povaha sousedních atom. skupin) —> možnosti strukturní analýzy závislost vR na struktuře okolí jader = chemický posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 246 2) Chemický posun příčina: místo B0 působí místní pole Bm < B0 elektrony v obalu - v magnetickém poli —> proudy —> sekundární slabá mag. pole —> stíní jádro Bm = B0-B0-a = B0^-a) □ o = stínící konstanta - nezávisí na B0 Ho-c -CH, závisí na struktuře molekuly vyssi g_n_■_ nizsi pole " "T'npole frekvence aa velikost stínění pro vyvolání rezonance je proto třeba působit polem s indukcí B0'> B0 , aby se překonal vliv stínění vetsi el. hustota —> vetsi stínem □ tím větší B0 (v = konst.) □ tím větší v (B0 = konst.) el. hustota v okolí jádra je snižována elektronegativními skupinami v sousedství jádra □ -S03H, -COOH, -COR, -COOR, -OR, -OH, halogeny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 247 2) Chemický posun —> elektronegativní skupina snižuje stínění = ODSTIŇUJE jádro —► snižuje B0' potřebnou k vyvolání rezonance —► snižuje v potřebnou k vyvolání rezonance i) tzv. DIAMAGNETICKÝ EFEKT acetylem p = kruhové proudy i = indukované magentické pole tt - elektronové proudy '■'■tttV* Hb, aldehyd prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 248 2) Chemický posun 2) STÍNĚNÍ MAGNETICKY ANIZOTROPNÍMI SKUPINAMI zeslabování nebo zesilování B0 místními sek. poli tvořenými indukovanými proudy TT-el. systému benzen, aromáty - nejsilnější efekt protony přímo vázané na aromatické jádro - souhlasný směr B0 a induk. sek. pole —> ODSTÍNĚNÍ —> rez. při nižší B0, v BENZEN « 1H signály při nižších B0, v než v nasycených, olefinických a acetylénických sloučeninách X je-li 1H nad středem benzenového jádra —► zde t| B0 a sek. pole —► zvýšené stínění —> zvýšení vR, B0 ACETYLÉN - orientace v magnet, poli: osa C=C je paralelní sB0^ cirkulace elektronů mezi tt orbitaly —► sek. mag. pole v okolí 1H je orientováno t| B0 —► vysoké stínění —► zvýšení vR, B0> než u olefinických protonů prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 249 2) Chemický posun □ IZOLOVANÁ DVOJNÁ VAZBA - indukuje se cirkulace elektronů uvnitř tt orbitalu, dvoj. vazba je kolmá na g , sek. magent. pole působí v místě olefin. 1H souhlasně s ß01 A ,0,, „ odstínění 1H —► snížení vRj B0 O" H20 CH3COOH H"< C6H, jC2H4C2H2|c6H12 TMS °\ Ml I3™ s(ppm)=V"-V*r v0s IUI 10 9 8 7 6 5 4 3 2 Q <- 5 ppm -—-> □ rozdíly rezonančních frekvencí velmi malé (a« 10~5) □ absolutní měření 1:109 - není možné u BQ, v □ relativní měření - proveditelné u frekvence standard chemického posunu - TETRAMETHYLSILAN 12 ekvivalentních 1H silně stíněno elektrony jediný ostrý signál při vysoké hodnotě frekvence prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 250 2) Chemický posun 5 (ppm) - pars per million 10~6 příklad: 60 MHz spektrometr, signál 1H -CH3, vázané na karbonylu methylethylketonu ch3 - c - c2h5 je při frekvenci o 130 kHz nižší než u TMS: o S(ppm) = Vyz " VsT • 106 = • 106 = 2,17 ppm v os 60-10 □ zvýšení frekvence na 100 MHz —► Av = 217 kHz —► 5ppm = 2,17 ppm □ 5TMS = 0, méně stíněné protony « 5 > TMS více stíněné protony « 5 < TMS □ stupnice t = 10 - 5 (dříve používaná) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 251 3) Intenzita rezonančních signálů ■ je úměrná počtu jader a nezávisí na chemickém okolí —> poměr intenzit signálů s různým chemickým posunem udává poměr počtu jader daného atomu (izotopu) v různém chemickém okolí intenzita « plocha piku Integrálni krivky 1H spektrum nízke rozlíšení -1-1-1-r-c-1-"n-r 5, ppm 7 6 5 4 3 2 1 0 odlišnost NMR od UV, VIS: intenzita signálu nějako propustnost nebo absorbance, jen poměrné číslo prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 252 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu MULTIPLETY SPIN-SPINOVÁ INTERAKCE ■ — i » i i i i i 6. ppm 7 6 5 4 3 2 1 0 efektivní magnetické pole v místě jádra je ovlivněno: 1) stíněním elektrony —► chemický posun □ 2) nepřímou spin-spinovou interakcí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 253 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu □ □ 1) 2) spin-spinová interakce = interakce jaderných spinu sousedních jader prostřednictvím valenčních elektronů slabá polarizace el. orbitalů štěpení -ŕ--- b=b„ SINGLET 1 jádro + 2 neekvivalentní sousední jádra —> ± Bm1, ± Bm2 □ n jader r —► 2n multiplet □ píky o stejné intenzitě DUBLET H- B: +Bm1 +Bn1 +Bm2 -Bpn? T DUBLETU ->h-H -B mi -B mi + Bm2 -Bm2 ovlivnění jaderných spinu je NEPŘÍMÉ přes valenční elektrony a jejich spiny počet vazeb, které z prostředkují spin-spinovou interakci se udává 1 i 2 - n . JA_X JA-X JA-X prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 255 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu 1 jádro a 2 ekvivalentní sousední jádra —> ± Bm 1 1 TRIPLET celkwý spin B, příklad: methylové protony vliv 2 methylenových +2Bm o -2Bm vCH3CH2OH +1 o -1 stav s nulovým příspěvkem je 2x významnější (pravděpodobnost) 1 jádro a 3 ekvivalentní sousední jádra KVÁDRUPLET (KVARTET) příklad: methylenové protony vliv 3 methylových •■v ■■J.-1 celkový statist, spin příspěvek -3/2 1 -1/2 43Bm 4lBm -1Bm -3Bm vCHoCHoOH -1/2 +3/2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 256 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu pravidla: 1) O multiplicitách - N ekvivalentních protonů působí na daný proton; mají odlišný chemický posun od ovliv. jádra; ovlivněný proton dává N+1 linií multipletu (I = 1/4); obecně pro I je počet linií 2NI+1 2) 0 poměru intenzit - relativní intenzity v multipletu « poměru koeficientů binomického rozvoje: (x+1)N 1 : 1 DUBLET N = 1 1:2:1 TRIPLET N = 2 1 : 3 : 3 : 1 KVARTET N = 3 1:4:6:4:1 KVINTET N = 4 1 :5:10:10:5:1 SEXTET N = 5 vzdálenosti sousedních linií uvnitř daného multipletu jsou shodné a « J - interakční konstanta 4) chemický posun - odpovídá středu multipletu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 257 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu podmínky platnosti pravidel o multiplicitě a intenzitě linií: a) rozdíly chemických posunů signálů vzáj. ovliv. jader» interakční konstanta AS)) J ^j-) 10 AS[Hz] b) ovlivňují-li se vzájemně 2 skupiny spinu (A, X), musí všechny spiny skupiny A reagovat stejným způsobem se spiny skupiny X —► interakční konstanta JA.X musí být stejná pro všechny dvojice jader A a X - je-li splněno a) i b) SPINOVÉ SYSTÉMY 1. ŘÁDU NMR spektra 1. řádu spinový systém = soubor magneticky aktivních jader v molekule, izolovaný od mag. akt. jader ve zbytku molekuly popis spinových systémů A ... Z; vzdálenost jader« vzdálenost v abecedě sousední A, B, C, ... K, L, M ... X, Y, Z vzdálené A, M ... A, M, X, ... prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 258 4) Štěpení NMR-signálu, spektra 1. řádu příklad: 3 skupiny jader, v rámci jedné skupiny jsou jádra IZOCHRONNÍ, tj. mají stejný chemický posun □ 3 protony AMX JA.M, JA.X, JM.X a l K->\ í ^ / ^ i-H m ! f -i f -i MX X í—> 'AX n ti i i i i i ^ i ^ r -i r -i ETHANOL CH3CH2OH AM2X3 Jam = 5>° hz JAX = 0 Hz MX jax prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 259 Spinové systémy vyšších řádů nejsou splněny podmínky: 1) dostatečný rozdíl chemických posunů 2) rovnost interakčních konstant spektra: 1) větší počet linií než 2NI+1 2) linie nejsou rovnoměrně rozmístěny 3) poměry intenzit se neřídí koeficientem binomického rozvoje chemický posun nemusí odpovídat středu multipletu 5) nelze odečítat přímo chemické posuny ani interakční konstanty (nutné kvantově chemické výpočty) as „ —— < 20 - neplatí pravidlo o intenzitě linií (zcela přesně) U_ A i? -(6 - přestává platit pravidlo o počtu linií prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 260 Zjednodušování spekter vyšších řádů 1) měření při vyšší B0 nebo v ^ princip: s rostoucí B0se J nemění A5 —► - roste J 2) odstranění spin-spinových interakcí SPINDECOUPLING dvojnásobnou rezonancí princip: působením dodatkového magnetického pole radiofrekvenčního, s frekvencí rovnou vR jádra (A) nebo skupiny jader A, jejichž interakce s ostatními studovanými jádry (X) chceme odstranit dodatkové pole —► rychlé přechody „oscilace" mezi růz. energ. stavy spinu jader A —► jádra X nezachytí různé orientace spinu A, jen „průměr"—► odstranění projevů interakcí □ SPIN-SPINOVÁ INTERAKCE: stabilní orientace spinu t = 1/J DECOUPLING - odstranění spin-spinové interakce mezi jádry stejných i různých izotopů, význam pro jádra s kvadrupólovým el. momentem (odstranění rozšíření signálů sousedních jader) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 261 Zjednodušování spekter vyšších řádů 3) použití posuvových činidel - tvorba komplexů PVZ PVZ - paramagnetické vznik aduktů s organickými molekulami posun vR skupin protonů v závislosti na vzdálenosti: ON PVZ - protony v určité skupině —► převedení multipletů s překrytými signály na jednoduché multiplety (i 1. řádu) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 262 Vliv chemické výměny na NMR-spektra přítomnost aktivních = kyselých protonů na heteroatomech (O, N, S: -COOH, -OH, -SH, -NH, -NH2) rychlá výměna H+ mezi molekulami střídání protonů s opačně orientovanými spiny —> průměrné uspořádání příklad: H+ z OH" skupiny CH3CH2OH —► zjednodušení vlivu H+ z -OH na methylenové vodíky —► -OH » singlet, -CH2- » kvartet (jen vliv H z CH3) chemická výměna i mezi různými molekulami (směs látek, nečistoty) —► „průměrná" společná absorpce při chemickém posunu, který je určen chem. posuny kyselých protonů látek ve směsi a (%) zastoupením 2) D20 - rozpouštědlo —> výměna H+ za D+ —> jiný posun identifikace kyselých vodíků prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 263 Vliv chemické výměny na NMR-spektra 3) (3-diketony, (3-ketoestery (existuje keto-enol tautomerie), pomalá výměna H+ mezi formami —> ve spektru signály obou forem □ kvantitativní vyhodnocení poměru signálů —► procentové zastoupení 4) konformační izoméry např. cyklohexan - odlišné chem. posuny axiálních a ekvatoriálních protonů podle rychlosti výměny lze nalézt buď signály konform. izomerů nebo „průměr" a) brzděná rotace —► neekvivalentní H na methylech b) volná rotace - jediný signál H la* □ lze stanovit pomocí NMR rychlostní konstanty prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 264 Instrumentace a pracovní technika zdroj RF pole (v) 2) magnet B0 3) kyveta + vzorek detektor 5) zařízení pro změnu v nebo B0 6) registrace signálu (zapisovač, integrátor) 7) počítač většina přístrojů: v = konst.; B0 = proměnná (1H-NMR) ad 2) permanentní magnety, elektromagnety se železným jádrem, supravodivé solenoidy chlazené kap. He změna B0- pólové nástavce (cívky s jádrem) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 265 Instrumentace a pracovní technika ■ homogenita magnetického pole □ důležité pro vysoké rozlišení (0,1-0,5 Hz) □ přesnost B0 « 1.1 o9 □ opracování ploch nástavců, nastavení jejich polohy stabilita frekvence RF oscilátoru - krystal křemene (termostatován) □ vysoké rozlišení ■ vzorky □ válcová skleněná kyveta 150 x 5 mm (1 mm) □ umístění v soudě - rotace vzduchovou turbínou □ 50-60 Hz - částečná eliminace nehomogenity magnetického pole prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 266 Instrumentace a pracovní technika detekce rezonance Bl M 1) můstková metoda - měří se změna indukce, ke které dochází při rezonanci přímo v cívce emitující RF záření 2) indukční metoda (metoda zkřížených cívek), další cívka kolmá na B1 i B0 vzorky neviskózní kapaliny, 5-10%-ní roztok kapalin a tuhých látek (30-50 mg, pro mikro 2-5mg) rozpouštědla 1) nemají obsahovat protony 2) dobrá rozpustnost vzorků 3) inertní □ CCI4, D20, CDCI3j CD3COCD3j C6D6 chemické posuny závisí částečně na použitém rozpouštědle standardy d tetramethylsilan Si(CH3)4 b.v. 26°C 2) hexamethyldisiloxan (CH3)3Si-0-Si(CH3)3 5 = 0,06 // HjC—Si 3) 2,2-dimethyl-2-silapentan-5sulfonan sodný pro vodné roztoky, 5 = 0; H / :C Z ha' prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 267 Instrumentace a pracovní technika ■ vyhodnocování spekter i) počet singletů a multipletů « počet neekvival. H+ poměry integrovaných intenzit« poměry počtu H+ v jednotlivých skupinách poloha singletů a středu multipletů —► charakteristika, identifikace skupin ■ použití 1) strukturní analýza 1H a 13C NMR 2) identifikace látek 3) kvantitativní analýza - směsi 4) stanovení molekulových hmotností ■ širokopásmová NMR- pevné látky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 268 Elektronová paramagnetická rezonance (Elektronová spinová rezonance) metoda objevena roku 1945 při absorpci energie dochází k přechodu mezi energetickými hladinami odpovídajícími různým orientacím spinu nepárových elektronů měří se přechody mezi různými kvantovanými energetickými stavy elektronů ve vnějším magnetickém poli ■ frekvence = GHz, (B0 = 0,33 T; vR = 9,2 GHz) ■ podmínka vzniku spekter - nepárový elektron v molekule: □ radikály □ radikálionty □ molekuly v excitovaném tripletovém stavu: -> 11 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 269 Elektronová paramagnetická rezonance spinový magnetický moment jis =y -h-s s*±y2 mz=±y2 Ye - gyro mag n etický poměr orbitální magnetický moment ju0 = ye - h L L - vektor orbit.mom. hybnosti celkový magnetický moment TL =yp-h-J J - vektor celk.mom. hybnosti ge- LANDÉHO faktor spin-orbit.interakce 2,00232 e-Ťi vyjádření pomocí Bohrova magnetonu juB = = 9,273-10"24 Am 2m, Me=MB'9e'J prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 270 Elektronová paramagnetická rezonance energie interakce elektronu s polem obecně: E = -/2-4 pro elektron E = -ye hJB0 energie nerozštěpené hladiny E = ^ + ye • fi • mz • B0 mz - magnetické spinové kvant, číslo mz - + Y2 základní stav mz - -1/4 excitovaný stav AL=Eexc-Ezákl = -(-%g'MB'B0-yog'jUB'B0)=g'jUB'B0 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 271 Elektronová paramagnetická rezonance AE = h-v = ge- juB-B0 - rozdíl mezi hladinami energie nepárového elektronu, rozštěpenými v magnetickém poli faktor spin-orbitální interakce (Landéův faktor) má v EPR podobný význam jako chemické posuny v NMR AE, AN (rozdíl energií základního a excitovaného stavu, rozdíl populací) je malý, ale VĚTŠÍ než u NMR —> mikrovlny (cm) HB je stejný pro všechny elektrony —> nejsou rozdíly v energii přechodu spinu v blízkosti různých jader nepozorujeme vliv struktury na energii přechodů x NMR (nepárový elektron na vnější části molekuly —> není stínění) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 272 Signál EPR ■ jediný signál nepárového elektronu superpozice EPR signálů více nepárových elektronů ■ spinové interakce □ nepárový elektron x jádra magneticky aktivní - H □ vzájemné interakce mezi nepárovými elektrony v téže molekule štěpení signálů - jako v NMR: □ nepárový eletron - spinová interakce s N jádry (magneticky ekvivalentními) -2N + 1 linií □ I = spinově kvantové číslo jádra atomu, s nímž nepárový elektron interaguje, I = Vz pro H □ intenzita signálu - poměry linií « BINOMICKÝ ROZVOJ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 273 Elektronová paramagnetická rezonance velikost interakce - konstanta hyper jemného štěpení ax « interakční konstantě v NMR □ ax roste s klesající vzdáleností nepárového elektronu od jádra X —► rozložení pravděpodobnosti výskytu nepárového elektronu na určitém místě molekuly-radikálu využití: měření lze provádět v kapalném, plynném i pevném skupenství □ sledování volných radikálů (elektrochemie, fotochemie...) biologické materiály molekuly sorbované na povrchu aktivních látek radikály při destrukci materiálů □ elektronová struktura přechodných prvků a organokovových sloučenin (heterogenní katalýza, biochemické a biologické aplikace) □ defekty v krystalových mřížkách (spinová hustota) □ identifikace radikálů v koncentraci 1011-1012 mol.ľ1 w prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 274 Instrumentace EPR zdroj záření - klystron - mikrovlny 27-35 GHz, konstantní frekvence zdroje 2) magnet - indukce 1,5-5 T (proměnná) 3) vlnovod - vede záření ze zdroje do měřicí sondy ke vzorku a pak na krystalovou diodu - detektor zesilovač —> zapisovač, osciloskop vinDČtDmšr ~] klystron I detekce zesilovač vlnovod modulačnL -cívky \ elektromagnet synchr modulace zapisovač proton. NMR měřicí cely ve formě reaktorů —> produkce radikálů - udržení konstantní hladiny; zvýšení životnosti - nízké teploty (77 K) přesné hodnoty G-faktoru radikálů: standard (DPPH) = 2,0036 N,N-difenyl-N'-pikrylhydrazyl prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 275 Metody založení na změně směru záření a stáčení roviny polarizovaného světla ■ INTERFEROMETRIE ■ REFRAKTOMETRIE ■ POLARIMETRIE ■ refraktometrie ___ □ měření refrakce směsi methanolu a ethanolu □ geometrická optika □ index lomu dopadající pomyslná paprsek (kolmice □ SNELLŮV ZÁKON a - úhel dopadu (3 - úhel lomu v1 - rychlost šíření světla v prostředí 1 v2 - rychlost šíření světla v prostředí 2 □ relativní index lomu - n12 - z 1 do 2 n = 1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 276 Refraktometrie □ absolutní index lomu c - rychlost světla v vakuu A/ = ->1 v c = 2,997925-10 ms N = f (hustoty p) = f (složení, c) N - aditivní x možnost využití pro kvalitativní analýzu A712 = v. N: N2 s\r\a N2 N, sin/? N, = n 12 v rozhraní světlo/stín NK index lomu (abs.) kapaliny Ns abs. index lomu skla 'max mezní úhel pozorujeme v okuláru dalekohledu Nk=Ns N=f(p,T,Ä) N2 =sr- jur sin/? sin/?<1^ Nk {Ns N U = 1) index lomu « elektronová polarizace sr - relativní permitivita Mr - relativní permeabilita_ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 277 Refraktometrie refrakce - vztah mezi hustotou a indexem lomu (Lorenz-Lorentz) A/2 -i □ specifická (měrná) refrakce R [cm3.g1] —— = Rp N +2 □ molární refrakce RM [cm3.moľ1] p = A/2 -1 M M A/2 O M - molární hmotnost -n +d—q_ □ specifická refrakce má aditivní charakter —► měření složení směsí (složení směsí lze vyjádřit objemovým, hmotnostním nebo molárním zlomkem) disperze rF • rr □ měrná disperze S = ——— rozdíl měrných refrakcí pro 2 vlnové délky; -£— F,C - čáry vodíkového spektra, F « 486,1 nm, C « 650,3 nm □ molární disperze n2F+2 n2c+2 refrakce a disperze - studium struktury organických molekul prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 278 Refraktometrie ■ výhody: □ jednoduchost □ rychlost □ malá spotřeba vzorku □ přesnost index lomu závisí na: □ frekvenci záření n « v n500, nD □ teplotě (t) dn n-\ dp dt~ p dt □ tlaku (plyny) nf - sodíkový dublet 25°C □ přepočet na normální podmínky A [nm] v [s~1] prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 279 Refraktometry D PULFRICHŮV nemá kompenzaci disperze (nutní monochromatické světlo) lze měřit index lomu i optickou disperzi zdroj záření, kondenzor, clonka, lámavý hranol, kyveta, dalekohled, nastavení úhlu hrubé + jemné ± 0,05' dalekohled - ostření na světelné rozhraní (mezní úhel) 0 = ^1 - sin2 a nH - index lomu hranolu a - úhel lomu přesnost 105jednotek indexu lomu □ At = 0,05-0,1 °C prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 280 Refraktometry 2) ABBEHO má kompenzátor optické disperze —► lze použít polychromatický zdroj světla □ přesnost 104 jednotek n, ± 0,1 °C široký rozsah 1,30-1,70 lampa stupnice prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 281 Refraktometry 3) PONORNÝ (ZEISS) lomný hranol a dalekohled mají neměnnou polohu sada 10 hranolů pro úzké oblasti indexů lomu, celkový rozsah An = 1,325 až 1,647 empirická stupnice v okuláru odečet dílků « rozhraní nalezení indexu lomu dle tabulek pro příslušný hranol okular čočka se stupnicí objektiv Amiciho hranol merný lámavý hranol sklenená kádinka se vzorkem zrcátko prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 282 Refraktometrie měření pevných látek i) neprůhledné - v odraženém světle průhledné - v kapalině s velkým indexem lomu monobromnaftalen n20 = 1,6582 podmínka přesnosti - konstantní teplota temperační pláště hranolů □ ultratermostat« 0,01 °C ■ - 60°C +1 « methanol + 1, + 99°C « destilovaná voda + 99, + 150 °C«glycerol prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 283 Refraktometrie aplikace □ sacharosa □ sušina v cukerných šťávách a roztocích, marmelády, sirupy, máslo, rostlinné a živočišné tuky (sušina) kontrola čistoty látek (org. rozpouštědel) binární směsi (metoda kalibrační křivky) MeOH, H20 dvousložkové roztoky - změna indexu lomu s koncentrací ternární směsi rozpouštědel (trojúhelníkové diagramy) (MeOH, EtOH, H20) pH, hustota změřit hustotu změřit index lomu 1) 2) 3) H20 v troj. diagramu nalézt průsečík a odečíst složení EtOH MeOH MeOH EtOH difereční měření - určovaná komponenta v roztoku zreaguje, reakce musí být spojena se změnou indexu lomu; mění se n před reakcí a po ní; rozdíl mezi teoretickou hodnotou nv a naměřenou nn je úměrný koncentraci určované látky cx = k-An = k-(nn-nv) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 284 Refraktometrie například: r = r.-P- +r.w0 p (a) 1 100 2 100 v 7 R15 R2 - specifická refrakce čistých složek, R - směsi, p - hmotové procento 1. složky ve směsi □ linearita plyne z aditivity - jen v ideál, směsích □ lze kalibrovat i přímo v indexu lomu: N=N^+N2{\-cp^) cp1 - objemový zlomek hustota se určí pyknometricky Pt = ~^~(Po ~ P *)+ P * pt - hustota měř. kapaliny (směsi) při teplotě t (20°C) Po - hustota dest. vody (20°C) p* - hustota vzduchu (20°C) m, m0 - hmotnost měř. kapaliny/vody v pyknometru ověření experimentálně získaných hodnot R pro směsi výpočtem podle (A) závislost R = f(p) graficky srovnat teoretické hodnoty RM pro EtOH a MeOH z atomových refrakcí s naměřenými hodnotami prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 285 Polarimetrie polarizace světla (MALUS 1808) korunové sklo N = 1,52 a = 57 svetlo - pncne elektromagnetické vlnění polarizace odrazem -kmitání jen v rovině kolmé k rovině dopadu polarizované světlo - kmity v jediném směru polarizační rovina je kolmá k rovině kmitání —► je to rovina dopadu -světlo je polarizováno v rovině dopadu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 286 Polarimetrie úplná polarizace jen při určitém úhlu dopadu = polarizační úhel - BREWSTERŮV ZÁKON □ světlo odražené pod Brewsterovým úhlem bude lineárně polarizované v rovině kolmé k rovině dopadu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 287 Polarimetrie ■ dvojlom světla (E. Bartholinus 1670) □ islandský vápenec - paprsek se při průchodu dělí na 2 paprsky řádný (o) - platí Snellův zákon mimořádný (e) - neplatí Snellův zákon □ optická osa krystalu - paprsek se nedělí □ rovina určená paprskem a optickou osou = hlavní rovina □ paprsky o i e jsou polarizovány: o polarizován v rovině hlavního řezu e polarizován v rovině kolmé k hlavnímu řezu B ABCD - rovina hlavního řezu dvojlom - anizotropnost osa NIKOL osa vlnoplochy osa prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 288 Polarimetrie interference o a e po výstupu: stejná frekvence, ale fázový posun: a) ve fázi nebo v opačné fázi lineární polarizace stálá polarizační rovina b) obecný fázový rozdíl f ■......„,„1.....■.......rozhraní polarizační rovina se otáčí osa interference \\\\g.\\\e\\\\\\\\\\\ eliptická polarizace i kruhová polarizace: dráhový rozdíl (2/c+l)— k = 1,2,3,... čtvrtvlnová destička, rovnoměrné otáčení s frekvencí světla DICHROISMUS - jeden z obou paprsků vzniklých dvojlomem se více v daném prostředí pohlcuje (turmalín) - získávání polarizovaného světla prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 289 Polarimetrie ■ rotační polarizace (Arago 1811) □ způsobena opticky aktivními látkami: je to stáčení polarizační roviny lineárně polarizovaného světla □ látky pravo- a levotočivé (asymetrický uhlík) a = as-1 -C c - koncentrace, I - délka dráhy (opt.), as - specifická otáčivost Fresnel: lineárně polarizované světlo se v opticky aktivní látce rozkládá na 2 opačně kruhově pol. vlny - různá rychlost - sklad. ■ diferenční metoda: □ srážecí titrace - stanovení vysrážených iontů (bod ekvivalence) □ extrakční metody - vytřepání látky do jiného rozpouštědla ■ studium struktury molekul □ molekulová refrakce = Z atomových refrakcí + inkrementy (= vazebné příspěvky v tabulkách) A vypočtených a naměřených hodnot □ měrná nebo molární disperze □ studium anorganických komplexů v roztocích a dějů: solvatace iontů, disociace, asociace, fázové rovnováhy, chemická kinetika... prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 290 Interferometrie měření rozdílu indexů lomu mezi známým a neznámým prostředím, využívá se ohyb a interference světla na štěrbině interferenční pásy - světlé a tmavé pruhy průchod světla prostředími o různém indexu lomu - rozdílné opoždění paprsků —> posun interferenčních pásů - úměrný rozdílu indexu lomu ■ interferometr □ zdroj —► kolimátor —► dvojitá svislá štěrbina —► 2 kyvety —► kompenzační zařízení —► dalekohled □ kyveta zasahuje do poloviny výšky štěrbiny —► každý ze svazků interferovaného záření se rozdělí na 2 - kompenzace posunu □ stanovení CH4, CO, C02, důlní plyny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 291